干法和湿法腐蚀讲稿

1、干法腐蚀和湿法腐蚀无锡华润晶芯半导体有限公司目录 介绍 术语 湿法和干法腐蚀 等离子体基础 具体的腐蚀工艺介绍 腐蚀的定义 腐蚀工艺就是从表面除去材料 化学，物理，结合三种作用 选择性的或整体腐蚀 选择性腐蚀将IC设计的图象通过光刻胶转移到硅片表面层上去 栅掩膜的对准 栅掩膜的曝光 显影、后烘、检查腐蚀多晶腐蚀多晶（续）去胶工艺流程腐蚀的术语 腐蚀速率 选择比 腐蚀均匀性 腐蚀剖面 湿法腐蚀 干法腐蚀 反应离子腐蚀（RIE） 终点腐蚀速率 腐蚀速率用这种材料从硅片表面被腐蚀有多快来衡量腐蚀速率 腐蚀均匀性 腐蚀均匀性用片内和片间的工艺可重复性来衡量 厚度测量测的是不同点的腐蚀之前和腐蚀之后 越

2、多的测量电,越高的准确性 通常使用的是标准偏差定义 不同的定义给出不同的结果标准偏差的非均匀性 N 个点的测量 最大-最小的均匀性 腐蚀的不均匀性可以通过下面的等式（叫做最大最小均匀性）来计算选择比 选择比是不同材料的腐蚀速率之比 在图形腐蚀方面很重要 选择比是对下层薄膜和对光刻胶选择比选择比Etch Profiles Etch Profiles 负载效应: macro loading 硅片上较大的曝露区域和较小的曝露区域的腐蚀速率是不同的 主要影响批腐蚀的工艺 在单片工艺上有较小的影响负载效应: micro loading 较小的孔腐蚀速率相对于较大的孔的腐蚀速率来说比较低 腐蚀物质比较难通

3、过较小的孔 腐蚀的副产物更难扩散出来 较低的气体压力能使这个效应最小化 越大的平均自由程，对腐蚀物质要到达薄膜表面以及腐蚀的副产物要出来就越容易Micro loadingProfile Micro Loading 过腐蚀 薄膜的厚度和腐蚀速率都是不同的 过腐蚀：除去这些残留的薄膜 要被腐蚀的薄膜和下层的选择比 RIE（反应离子腐蚀）使用光学的终点来达到从主腐蚀到过腐蚀的转换开始腐蚀工艺 主腐蚀的终点 过腐蚀之后 残留物 不希望的残留物 原因 过腐蚀不够充分 腐蚀副产物不挥发过腐蚀不充分 表面上不挥发的副产物残留物 适当的过腐蚀 不挥发的残留物的清除 足够的离子轰击来清除 适当的化学腐蚀来除去

4、氧气等离子体去胶: 有机残留物 湿法化学清洗: 无机残留物 湿法腐蚀湿法腐蚀 化学的解决方法来溶解硅片表面上的物质 副产物是气体，液体或可溶在腐蚀溶液中的物质 三个基本步骤：腐蚀，漂洗，甩干基本的湿法腐蚀步骤 腐蚀甩干湿法腐蚀 纯粹的化学过程，各向同性的剖面 广泛使用在特征尺寸大于3um的IC产业中 仍就使用在先进的IC厂里 硅片清洗 整个薄膜的剥离 湿法腐蚀的剖面 不能使用在特征尺寸小于3um的工艺上 被等离子体腐蚀所代替湿法腐蚀的应用 湿法腐蚀不能使用在CD 3, 腐蚀占主导地位 F/C 2, 聚合占主导地位 当腐蚀二氧化硅,氧气的副产物能同C反应来释放更多的氟 当腐蚀硅或硅化物时,没有氧

5、气释放,氟被消耗, F/C比降低到小于2，开始聚合物的淀积 聚合物阻碍更进一步的腐蚀 BPSG-to-TiSi2的高选择比 电介质腐蚀F/C比, DC Bias and Polymerization 通孔腐蚀 腐蚀USG 为了金属和金属间的互连而开通孔 需要对金属和光刻胶的高选择比 氟化学腐蚀通孔 氟作为主要腐蚀剂 CF4, CHF3和Ar都在腐蚀中使用. O2或H2也能使用 对金属的高选择比 避免金属溅射 电介质腐蚀的概要 单晶硅腐蚀 光刻胶可以引起衬底污染 氯/溴化学 Cl2/HBr作为主腐蚀剂 单晶硅腐蚀化学 少量的O2来对侧壁钝化 少的NF3来阻止black silicon 定时腐蚀

6、金属腐蚀 腐蚀AlCu金属叠层来形成金属互连 通常使用 Cl2 + BCl3 不管用物理的还是化学的方法，需要腐掉Cu 在硅片曝露到大气中的湿气前需要去胶腐蚀金属 为了金属互连 Cl2 作为主腐蚀剂 BCl3, N2用来侧壁钝化 O2用来调高对二氧化硅的选择比 主要问题:腐蚀剖面和避免腐蚀残留 金属晶粒尺寸能影响腐蚀工艺 金属腐蚀化学 干法去胶 Remote plasma source 没有离子轰击的自由基团 高气压,微波等离子体 防止金属侵蚀对金属腐蚀后残留在PR中的氯去除是很重要的 提高产能和成品率干法去胶 O2, H2O chemistry 干法去胶工艺总结 腐蚀就是将光刻胶的图形转移到

7、硅片表面材料上的过程.。 腐蚀分为湿法腐蚀和干法腐蚀。 干法腐蚀被广泛用自图形腐蚀工艺中。SIN 腐蚀 腐蚀设备是LAM490，低压力，终点控制，腐蚀气体主要是SF6，SIN对OXIDE 的选择比在3左右。SIN腐蚀需要特别注意是就是1.保证SIN 腐蚀干净2.留有一定的SIO2，不能腐蚀到SI衬底上。3.由于SIN及PAD OXIDE 的厚度都较薄，所以对腐蚀均匀性的要求也很高。在线监测腐蚀后的残氧。 孔腐蚀 STEP1：ISO ETCH （各向同性腐蚀） STEP2：ANISO ETCH （各向异性腐蚀） 孔腐蚀 需要注意的是1.要保证有一定的过腐蚀量（即孔要腐蚀干净），否则孔的接触电阻会

8、很大，其他一些参数会测不出来。2.过腐蚀量又不能太大；所以必需要有OXIDE 对SI/POLY-SI的选择比很高（一般大于10）来做保证。 平坦化工艺 当器件集成度提高，器件尺寸越来越小，需要用到双层（多层）布线的时候，平坦化的工艺也随之引入生产。随着器件的形成，在圆片上的膜层见多（FOX，POLY1，POLY2，D1，M1 等），圆片表面的平整度变差，这是对光刻机形成了挑战；平坦化的目的就是要减小减小台阶差异，给光刻提供有利条件。 VIA 腐蚀 VIA 是使M1/M2 连接起来的通道。同样要是M1/M2 连接的好，需要有良好的VIA 形貌来保证M2 的台阶覆盖。 VIA腐蚀要注意1.VIA

9、要腐蚀干净 2.最终的介质厚度要控制住，不能太薄（造成M1，M2间漏电），也不能太厚（M2台阶覆盖不良）。 VIA 腐蚀钝化腐蚀 钝化的目的是给器件以表面保护作用。一般钝化层采用PEOXIDE/PESIN 双层介质。 POLY ETCH 主要设备有LAM9406、LAM490。 主要腐蚀气体为CL2，HBR，HCL等。 POLY ETCH PROCESS： STEP1-BREAKTHROUGH STEP（OPTIONAL） STEP2-MAIN ETCH STEP（OPTICAL EMISSION ENDPOINT） STEP3-OVER ETCH STEP POLY ETCH CF4 主要用

10、于STEP1 ，以去除POLY 表面的一层自然氧化层，有时在POLY 光刻之前如有一步HF DIP，STEP1 可以不做。 CL2 是主要腐蚀气体；HBr可以形成POLYMER 保护侧壁，提高对PR 的选择比；加入He-O2 可以提高对OXIDE 的选择比。 在线监测腐蚀后的残氧，但由于POLY腐蚀以后一般氧化层表面都有一些POLYMER 附着，所以腐蚀后测的残氧值通常并不是真实的，经100：1HF DIP 10SEC之后测量的值才是真实的残氧值。 METAL ETCH 主要设备有AME8330，TCP9600 主要腐蚀气体：CL2/BCL3/CF4/N2 1AME8330：为多片式刻蚀系统，

11、阳极为钟罩，阴极为六面体电极，共有18个硅片基座，LOADLOCK 可储存硅片，自动装片系统。终点控制模式。刻蚀和去胶在同一腔体，可以有效的消除AL 的后腐蚀。 2TCP9600：2001年新进扩产设备，同样为单片式刻蚀系统，与上述两台设备的区别之处在于Plasma的形成方式不同，并且该设备有一个自带的流水腔 METAL腐蚀后一定要注意去胶及时，否则，如前所述，会有AL的后腐蚀发生。 RESIDUE CLEAN 主要用于去除在腐蚀时产生的付产品的清洗,如AL腐蚀后用ACT-CMI，EKC265等进行清洗,在钝化后进行清洗等. 清洗前后的SEM图片对比如下： 湿法腐蚀工艺 湿法腐蚀工艺由于其低成

12、本,高产出,高可靠性以及其优良的选择比是其优点而仍被广泛接受和使用。基本上是各向同性,因此他们腐蚀后的尺寸要比定义的尺寸小,须在版上加一定量的BIAS.因此主要适用于大尺寸条宽的器件生产.同时现有的湿法腐蚀设备正朝着以下方向发展：1）自动化，2）在微处理器控制下提高在腐蚀状态下的重复性，以帮助工艺工程师提供更良好的控制，阻止人为因素的影响。3）点控制过滤控制，以减小腐蚀过程中缺陷的产生，4）自动喷淋设备的开发。 湿法腐蚀 主要缺点有: A: 腐蚀液及DI WATER的成本比干法腐蚀用气体成本高; B: 在处理化学药液时给人带来安全问题; C: 光刻胶的黏附性问题 D: 有气体产生以及不彻底的腐

13、蚀及均匀性差等问题 E: 排风问题 湿法腐蚀机理 湿法腐蚀的产生一般可分为3步: 1: 反应物(指化学药剂)扩散到反应表面 2: 实际反应(化学反应) 3:反应生成物通过扩散脱离反应表面 影响湿法腐蚀的因素 湿法腐蚀质量的好坏，取决于多种因素，主要的影响因素有： 1: 掩膜材料(主要指光刻胶)： 显影不清和曝光强度不够，会使显影时留有残胶，通常会使腐蚀不净。 2:须腐蚀膜的类型(指如SIO2,POLY , SILICON等) 3:腐蚀速率：腐蚀速率的变化会使腐蚀效果发生改变，经常会导致腐蚀不净或严重过腐蚀，从而造成异常，影响腐蚀速率的因素可见下面的影响因素。 4:浸润与否：由于在湿法腐蚀时由于

14、腐蚀液与膜间存在表面张力，从而使腐蚀液难于到达或进入被腐蚀表面和孔，难于实现腐蚀的目的。大多数情况下，为减小表面张力的影响，会在腐蚀槽中加入一定量的浸润。 影响E/R的因素: 1: 腐蚀槽的温度 2: 膜的类型(如SIO2,POLY , SILICON等) 3: 晶向 4: 膜的形成(是热生长形成或掺杂形成) 5: 膜的密度(THERMAL OR LTO) 6: 腐蚀时的作业方式(喷淋,浸没或是旋转) 7: 药液成分的变化 8: 腐蚀时有无搅动或对流等 所有上述因素均是查找异常原因的因素,同时膜的掺杂类型及含量也影响E/R,因为外加的掺杂剂改变了膜的密度,例如掺P的氧化层比热氧化层E/R快得多

15、,而掺B的氧化层要慢得多.下图显示了掺P的CVD SIO2与热氧化OXIDE 在BOE中的不同的腐蚀速率对比。 SIO2腐蚀: 湿法腐蚀SIO2在微电子技术应用中通常是用HF来实现,其反应方程式为: SIO2+6HF-H2 +SIF6+2H2O 一般HF浓度为49%，此反应对于控制来说太快,因此常采用缓冲HF来替代(BOE或BHF),加入NH4F,可以减少F-的分解,从而使反应更稳定,而且非缓冲HF对胶和接口产生不良影响. 有资料表明，BHF中NH4F的浓度过大而会严重影响其E/R 的均匀性及E/R线性。同时研究表明，在低温下生成固态的NH4HF2，这些固态物质能产生颗粒并导致药液组分的变化，

16、当NH4F含量（重量比）为15%时，能有效的解决此问题。在腐蚀SIO2时，为了适应不同的工艺要求（如去除SIO2的膜厚，为更好的控制E/R），可以选择不同的HF浓度配比及工艺条件进行腐蚀。 SI 腐蚀 不管单晶硅和多晶硅，都能被HNO3和HF的混和液腐蚀掉，反应最初是由HNO3在表面形成一层SIO2,然后被HF溶解掉,其反应方程式为: SI + HNO3 + 6HF-H2SIO6 + HNO2 + H2 + H2O 常把CH3COOH作为缓冲溶剂,因可以减少HNO3的分解以提高HNO3的浓度. SIN腐蚀 SIN可被沸腾(160C左右)的85%的H3PO4溶液所腐蚀,然而胶常被去掉,因此有时采

17、用SIO2作为掩蔽层来对SIN进行腐蚀,SIO2图形有光刻胶形成,然后去胶,接下来进行H3PO4对SIN 腐蚀. 我们一般是在场氧化后进行SIN的全剥,由于是在高温下进行了氧化,因此在SIN表面有一层SINO层, 此层不溶于H3PO4而溶于HF,因此在进H3PO4槽时必须先进HF槽以去除SINO膜,然后进行SIN的全剥. AL 腐蚀 湿法AL 及AL 合金腐蚀常在加热的H3PO4+HNO3+ CH3COOH及水的混合液中进行,温度大约是35C45C,典型的组分为: 80%H3PO4 +5%HNO3+5%CH3COOH+10% H2O,其E/R常受到诸多因素的影响,如温度,药液组分,AL膜的纯度

18、以及合金组分等. 反应式如下: HNO3 + AL + H3PO4 AL2O3+H2O+ H2 在反应时会产生H2,当H2附在AL 表面时会阻碍反应,因此在腐蚀时加入鼓泡以减小此问题,由于H2及其它问题,如溅射时的沾污及自然氧化层的影响,一般在腐蚀时假如1050%的过腐蚀量以确保能完全腐蚀干净.湿法AL 腐蚀也常单用80%的H3PO4进行腐蚀. 湿法腐蚀注意事项 由于湿法腐蚀的特性，在对不同的材料进行腐蚀时必须选择相应的腐蚀药液和工艺条件，在开发湿法腐蚀和清洗菜单时必须注意此药液对硅片上其它膜层和材料的影响，同时必须考虑湿法腐蚀特性所带来的一些其它问题。 1:AL 及AL以后的片子的去胶不能进

19、SH槽; 2:湿法氧化物腐蚀前必须进行充分的浸润; 3:须做先行的片子根据先行结果适当调整腐蚀时间； 4:对湿法氧化物腐蚀检查,原则上检查膜厚最厚且小图形处和大块 被腐蚀区域应保证干净; 5:对湿法AL腐蚀检查,主要检查小图形及横跨台阶的AL条是否有 残AL 及AL 条缺口严重和断AL 现象; 6: 所有腐蚀时间加参考的均仅供参考, E/R及膜厚正常的情况下,可 按参考时间作业,在E/R和膜厚变化较大时,可适当调整腐蚀时间; 湿法去胶 1: 有机去胶 有机去胶是通过拆散胶层结构而达到去胶的目的.但其限制性较大,象常用的药液有DMF,ACT,EKC等. 2: 非有机去胶 目前常用的是H2SO4与

20、H2O2加热到120-140C左右,其强氧化性使胶中的C氧化成CO2,并生产H2O.值得一提的是,此类去胶常用在无金属层上,也就是说在AL及AL 以后层次的去胶不能用此类去胶,此类去胶也常用在干法去胶后加一步湿法去胶(主要是大剂量注入和较差的干法去胶后. 3: 去胶未净后的处理方法: 如检查去胶未净,常用的方法是继续去胶或用以下两中方法去胶 A: 使用稀HF进行漂洗,然后流水甩干; 常见工艺要求和异常（干法腐蚀） SIN 残余 原因分析：设备腐蚀能力不足，片内均匀性差。 处理方法：优化工艺，或换成工艺能力大的设备进行腐蚀。AL 的后腐蚀 原因分析：AL 腐蚀后去胶时间间隔太长，造成空气中的水气与光刻胶中残留的CL离子反应生成HCL，继续腐蚀AL。 处理方法：AL腐蚀后及时去胶，检查AL 腐蚀设备的压力及气体组分对反应腔的影响。 过腐蚀 例：AL 过腐蚀造成AL 条细，断条等。 原因分析：1.错误找到终点