图形刻蚀技术

1、第第7章：图形刻蚀技术章：图形刻蚀技术(Chapter 11)ImplantDiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompleted waferUnpatterned waferWafer startThin FilmsWafer fabrication (front-end) 问题：问题： 常见的刻蚀对象：SiO2、Si3N4、Poly-Si、磷硅玻璃、铝或铝合金、衬底材料等 即：金属刻蚀、介质刻蚀、硅（半导体）刻即：金属刻蚀、介质刻蚀、硅（半导体）刻蚀蚀Photoresist maskFilm to be etched(a) Photoresist-patter

2、ned substrate(b) Substrate after etchPhotoresist maskProtected filmType of EtchSidewall ProfileDiagramWet EtchIsotropicIsotropic(depending onequipment &parameters)Anisotropic(depending onequipment &parameters)Anisotropic TaperDry EtchSilicon TrenchEtch Bias、 Undercut 、 Slope and Overetch(a)B

3、iasResistFilmSubstrateWbWaUndercutSubstrateResistFilmOveretchS = EfErEfNitrideOxideEr选择比：选择比：SEf=被刻蚀材料的刻蚀速率被刻蚀材料的刻蚀速率Er=掩蔽层材料的刻蚀速率掩蔽层材料的刻蚀速率 对刻蚀的基本要求：对刻蚀的基本要求： 图形的高保真：横向腐蚀和各向异性腐蚀 刻蚀剖面： 选择比：光刻胶和不同材料的腐蚀速度 关键尺寸（CD）控制 均匀性：小线条和大硅片 清洁：残渣沾污 损伤： 7.1.湿法腐蚀：即，化学腐蚀(S11.1) 8.1.1 腐蚀液： SiO2：HF:NH4F:H2O=3毫升：毫升：6克：克

4、：10毫升毫升（36C） Al：H2PO4、7080 C、乙醇稀释、乙醇稀释 Si3N4：H2PO4、 H2PO4：HNO3=3：1 （ SiO2膜）膜） HF （Cr膜）膜） 其它其它定向腐蚀定向腐蚀(P265263) 7.1.2 刻蚀中的质量问题： 图形畸变：曝光时间、显影时间、刻蚀速度 浮胶：粘附、前烘时间、曝光时间、 显影时间、刻蚀速度、腐蚀液 毛刺和钻蚀：清洁、显影时间、腐蚀液 针孔：膜厚不足、曝光不足、清洁、掩膜版 小岛：曝光、清洁、湿法显影、掩膜版 湿法腐蚀工艺的特点：湿法腐蚀工艺的特点：速度快，成本底，精度不高。 7.2. 干法腐蚀：即，等离子刻蚀 Section 11.3 （

5、重点阅读）（重点阅读） 7.2.1. 原理和特点： 是一种物理-化学刻蚀； 是一种选择性很强的刻蚀 在低压中进行，污染小 与去胶工艺同时进行 表面损伤置入等离子场中的分子因等离子能量的激励生成了性的置入等离子场中的分子因等离子能量的激励生成了性的游离基分子、原子，以这些活性游离基分子、原子引起游离基分子、原子，以这些活性游离基分子、原子引起的化学反应，形成挥发性产物，而使被蚀物剥离去掉。的化学反应，形成挥发性产物，而使被蚀物剥离去掉。活性游离基分子、原子不受电场影响，因而各向同性。活性游离基分子、原子不受电场影响，因而各向同性。RF装置：装置：Roots pumpProcess gasesEx

6、haustGas- flow controllerPressure controllerGas panelRF generatorMatching networkMicrocontroller Operator InterfaceGas dispersion screenElectrodesEndpoint signalPressure signalRoughingpumpWafer F基刻蚀原理：（基刻蚀原理：（SiO2为例）为例） CF4 2F+CF2 （游离基）（游离基） SiO2+4F SiF4+2O SiO2+2CF2 SiF4+2CO Cl基基 等离子激发等离子激发 8) By-p

7、roduct removal 1) Etchant gases enter chamberSubstrateEtch process chamber 2) Dissociation of reactants by electric fields 5) Adsorption of reactive ions on surface 4) Reactive +ions bombard surface 6) Surface reactions of radicals and surface filmExhaustGas deliveryRF generatorBy-products 3) Recomb

8、ination of electrons with atoms creates plasma 7) Desorption of by-productsCathodeAnodeElectric fieldllAnisotropic etchIsotropic etch 氧的作用：加快 氢的作用：减慢 高分子生成：刻蚀速度、选择性 反应气体：CF4、CHF3、CF6See Table 11.3InGaAs刻蚀仿真刻蚀前结构PIN结构。10um厚的本征InP衬底，在衬底上生长3um厚的掺杂Si浓度为21018的InP层（N），然后再淀积3um厚的Si掺杂41016的n,InGaAs，InGaAs中I

9、n的组分为0.53。上层淀积1um厚的InP，掺杂为21018（P）。刻蚀阻挡层采用Si3N4，厚度1um。Rate.Etch Machine=PEMach Plasma Pressure = 3.75 Tgas = 300.0 Tion = 3000.0 Vpdc = 32.5 Vpac = 32.5 Lshdc = 0.005 Lshac = 0.0 Freq = 13.56 Nparticles = 4000 Mgas = 40.0 Mion = 40.0 Constant Energy.Div = 50 Qio = 1.7e-19 Qcht = 2.1e-19# Define the

10、plasma etch parameters for InGaAsRate.Etch Machine=PEMach Plasma Material=InGaAs k.i = 1.1 k.f= k.d=等离子体刻蚀中可以改变的参数及默认值等离子体腔及刻蚀等离子体腔及刻蚀气体的物理特性气体的物理特性刻蚀气体的化学特性刻蚀气体的化学特性PRESSURE= 定义等离子体刻蚀机反应腔的压强TGAS= 定义等离子体刻蚀机反应腔中气体的温度TION= 定义等离子体刻蚀机反应腔中离子的温度VPDC= 等离子体外壳的DC偏压VPAC= 等离子外壳和电珠之间的AC电压LSHDC= 外壳的平均厚度LSHAC= 外壳

11、厚度的AC组成FREQ= AC电流的频率NPARTICLES= 用蒙托卡诺计算来自等离子体的离子流的颗粒数MGAS= 气体原子的原子质量MION= 等离子体离子的原子量(CHILD.LANGM|COLLISION|LINEAR|CONSTANT)计算等离子体外壳的电压降的模型，默认为CONSTANTMAX.IONFLUX=IONFLUX.THR=K.I= 定义等离子体刻蚀速率的线性系数K.F #定义化学流相关的等离子刻蚀速率K.D #定义淀积流量相关的等离子体刻蚀速率各参数的意义：改变刻蚀腔压强刻蚀腔压强越大，刻蚀速率变小、刻蚀效果也变差。刻蚀腔压强越大，刻蚀速率变小、刻蚀效果也变差。 这从离

12、子的能量角度分布中也可以得出结论这从离子的能量角度分布中也可以得出结论改变气体温度刻蚀腔中气体的温度高时刻蚀剖面要好，但影响较小刻蚀腔中气体的温度高时刻蚀剖面要好，但影响较小改变离子温度离子温度低时刻蚀效果要好，但刻蚀速率几乎不变离子温度低时刻蚀效果要好，但刻蚀速率几乎不变改变ac偏压ACAC偏压变化时，刻蚀体现不出差别偏压变化时，刻蚀体现不出差别改变dc偏压DCDC偏压大时刻蚀效果要好，刻蚀速率几乎不变偏压大时刻蚀效果要好，刻蚀速率几乎不变改变等离子体刻蚀速率的线性部分等离子体刻蚀速率的等离子体刻蚀速率的线性线性系数与刻蚀速率成线性系数与刻蚀速率成线性改变刻蚀腔压强时的刻蚀剖面改变刻蚀腔压强

13、对离子的能量角度分布的影响压强较小时，离子的方向性要好压强较小时，离子的方向性要好各向异性刻蚀Section 11.3 （重点阅读）（重点阅读） 反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIE）Reactive Ion Etch与前面的等离子刻蚀相比，与前面的等离子刻蚀相比，等离子体的激励增大，反应气体发生了电子等离子体的激励增大，反应气体发生了电子从原子脱离出去的正离子化，成为离子和游从原子脱离出去的正离子化，成为离子和游离基分子、原子混在一起的状态。先是游离离基分子、原子混在一起的状态。先是游离基分子、原子被吸附在待蚀物上产生反应产基分子、原子被吸附在待蚀物上产生反应产物，离子在电场中加速并向基片垂直

14、轰击，物，离子在电场中加速并向基片垂直轰击，加快反应产物的脱离，且在待蚀物上形成损加快反应产物的脱离，且在待蚀物上形成损伤伤吸附活性点，加快底部刻蚀速率，实现吸附活性点，加快底部刻蚀速率，实现各向异性刻蚀。各向异性刻蚀。Reactive +ions bombard surfaceSurface reactions of radicals + surface filmDesorption of by-productsAnisotropic etchIsotropic etchSputtered surface materialChemical EtchingPhysical EtchingChe

15、mical Versus Physical Dry Plasma EtchingEtch ParameterPhysical Etch(RF fieldperpendicularto wafersurface)Physical Etch(RF fieldparallel towafer surface)Chemical EtchCombinedPhysical andChemicalEtch MechanismPhysical ionsputteringRadicals inplasma reactingwith wafersurface*Radicals inliquid reactingw

16、ith wafersurfaceIn dry etch,etching includesion sputteringand radicalsreacting withwafer surfaceSidewall ProfileAnisotropicIsotropicIsotropicIsotropic toAnisotropicSelectivityPoor/difficultto increase(1:1)Fair/good (5:1to 100:1)Good/excellent(up to 500:1)Fair/good(5:1 to 100:1)Etch RateHighModerateL

17、owModerateCD ControlFair/goodPoorPoor to non-existentGood/excellent* Used primarily for stripping and etchback operations. 工艺控制工艺控制 RF功率测量与控制功率测量与控制 真空测量与控制真空测量与控制 等离子场测量与控制等离子场测量与控制 温度测量与控制温度测量与控制工艺条件对结果的影响侧壁钝化提高各向异性Plasma ionsResistOxidePolymer formationSilicon 刻蚀终点刻蚀终点诊断和控制技术（简述）诊断和控制技术（简述） 终点监视仪

18、终点监视仪等离子体发射光谱（等离子体发射光谱（0ES）扫描单色光谱仪 残余气体分析（残余气体分析（RGA）/质谱分析质谱分析 射频和偏置电压也可以终点检测信号射频和偏置电压也可以终点检测信号检测检测Measure etch rate at 5 to 9 locations on each wafer, then calculate etch uniformity for each wafer and compare wafer-to-wafer.Randomly select 3 to 5 wafers in a lot损伤（损伤（11.7阅读）阅读）习题：列出习题：列出5点以上干法刻蚀的优点和点以上干法刻蚀的优点和3