干法腐蚀工艺培训讲义

1、 1干法腐蚀工艺培训讲义干法腐蚀工艺培训讲义目目 录录第一章第一章基本概念基本概念第二章第二章干法腐蚀基本原理干法腐蚀基本原理第三章第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺第四章第四章在线干法腐蚀设备结构在线干法腐蚀设备结构/原理简介原理简介第五章第五章干法腐蚀工艺中的终点检测干法腐蚀工艺中的终点检测第六章第六章干法去胶干法去胶第七章第七章在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法第一章第一章 基本概念基本概念1WHAT IS ETCHED？ 2A process for removing material in a specified ar

2、ea through chemical reaction and/or physical bombardment.2. WHAT WE ETCHED?1) Dielectric (oxide,nitride,etc.)2) Silicide (polysilicon and silicide)3) Silicon(single crystal silicon)4) Metal(AL.Cu.Si)3. WHAT IS ETCH RATE? 腐蚀速率是指所定义的膜被去除的速率，单位通常用UM/MIN，A/MIN 来表示。4.E/R UNIFORMITY表示一个圆片中不同点腐蚀速率的差别（WITHI

3、N A WAFER）或两个以上圆片片与片之间的腐蚀速率差异（WAFER TO WAFER。 ） 如：假定一个圆片片内测试了 5 个点，那就有 5 个速率值UNIFORMITY=（MAX ETCH RATEMIN ETCH RATE）/2/（AVERAGE ETCH RATE）*100%5. SELECTIVITY 是指两种不同膜的腐蚀速率比。选择比反应腐蚀过程中主要被腐蚀膜对另一种膜的影响（光刻胶，衬底等） 36. ISOTROPY-各向同性 腐蚀速率在纵向和横向上相同。7ANISOTROPY-各向异性 腐蚀速率在纵向和横向上不一样。8CD-（CRITICAL DIMENSIONS）关键尺寸

4、CD LOSS-条宽损失9LOADING-负载效应 MICROLOADING（微负载效应）-不同的孔尺寸或纵深比例对腐蚀速率和选择比的影响。MACROLOADING（宏负载效应）-不同的暴露面积影响腐蚀速率差异。10PROFILE -剖面形貌第二章第二章干法腐蚀基本原理干法腐蚀基本原理 4干法腐蚀又称等离子腐蚀。根据设备腔体结构的不同，可分为：圆筒型等离子腐蚀平行板等离子腐蚀平行板反应离子腐蚀反应离子束腐蚀离子束铣腐蚀等。本文主要介绍等离子腐蚀和反应离子腐蚀的基本原理。一、 等离子体腐蚀等离子腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反应的一种选择性腐蚀方法。气体中总存在微

5、量的自由电子，在外电场的作用下，电子加速运动。当电子获得足够的能量后与气体分子发生碰撞，使气体分子电离发出二次电子，二次电子进一步与气体分子发生碰撞电离，产生更多的电子和离子。当电离与复合过程达到平衡时，出现稳定的辉光放电现象，形成稳定的等离子体（PLASMA） 。等离子体中包括有电子、离子、还有处于激发态的分子，原子及各种原子团（统称游离基） 。游离基具有高度的化学活性，正是游离基与被腐蚀材料的表面发生化学反应，形成挥发性的产物，使材料不断被腐蚀。等离子腐蚀设备可以分为筒式和平板式两种。 5二、 反应离子腐蚀三、 平板反应离子腐蚀与平板等离子腐蚀的区别 61平板等离子腐蚀设备上下极板基本对称

6、、面积相近，等离子边界与接地下平板间的电压降通常较小（近百伏） ，腐蚀主要是化学反应过程，腐蚀选择性好。RF 加在上极板。RIE(2)2反应离子腐蚀装置中两个极板的面积不等；硅片放在射频电源电极阴极上；反应压力更低。平行平板等离子腐蚀装置的压力为13133Pa；反应离子腐蚀的压力为 0.1313Pa，因此，到达阴极的正离子具有更大的能量与更强的指向阴极的方向性，因而能获得各向异性腐蚀。干法腐蚀工艺过程中包含 6STEPS ：STEP1：气体进入腔体，在高频电场的作用下，电子/分子碰撞产生反应基 7团。STEP2：反应基扩散到被腐蚀膜的表面。STEP3：反应基被吸附在表面。STEP4：发生化学反

7、应。STEP5：反应生成物解吸附发生。STEP6：反应生成物扩散到反应残余气体中一起被 PUMP 抽走。第三章第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺1POLY-SI，SI3N4，SIO2 的等离子腐蚀 通常使用含 F 的腐蚀性气体，如 CF4 CF4 CF3+F* CF3 CF2+F* CF2 CF+F* Si+4F* SiF4 SiO2+4F* SiF4 +O2 Si3N4+12F* 3SiF4 +2N2 CFx（x3）与 SiO2，SiN4 的反应速率比与 Si 的反应速率快。在 CF4中加入少量 H2 可以使 CFx：F*的浓度比增加，从而使 SiO2：S

8、i 及Si3N4：Si 的腐蚀速率比增大。在 CF4 中加入少量 O2 可增加Si，SiO2，Si3N4 的腐蚀速率，原因是氧可以抑制 F 游离基在反应腔壁的损失，还有 CF4+O2 F*+O*+COF*+COF2+CO+，上式中的 COF*寿命较长，当它运动到样品表面时发生下述反应：COF* F*+CO 84F*+Si SiF4 2. AL 的等离子腐蚀 因为 ALF3 是一种低挥发性物质，因而不能采用 CF4 作为腐蚀剂，通常用氯化物（SiCL4，BCL3） 。通常 AL 表面总有一层约 3NM 的自然氧化层 AL2O3，它阻碍了铝的腐蚀，使铝的腐蚀过程变的复杂。在腐蚀铝之前，必须首先去除

9、自然氧化层。AL 腐蚀反应腔必须设计的能防止水气的侵入，因为腐蚀产物 ALCL3 具有准挥发性和吸水性，挥发不良的 ALCL3 可沉积在反应腔壁上，当腔壁暴露在大气中时，ALCL3 就吸收大量的水分，再次进行腐蚀时，吸收的水分就挥发并影响腐蚀过程。 在腐蚀 AL 的工艺中最长遇到的就是 AL 的后腐蚀问题。其原因是在光刻胶中残留有含 CL 的反应产物，如与空气中的湿气就形成 HCL，使AL 继续被腐蚀。所以一般在腐蚀后立即通入含碳氟化物，以置换 CL 离子。对于 AL 腐蚀以后的去胶工艺时间间隔要求也很严，一般要求不超过2 小时。 表一：常用材料的腐蚀剂待蚀材料腐蚀剂Si（单晶）CF4，CF4

10、+O2多晶硅CF4，CL2/HBR，SF6，BCL3/CL2AL，AL-Si，AL-Si-CuCL2，BCL3，SiCL4，BCL3/CL2/CHF3SiO2（BPSG）CF4，C2F6，CHF3Si3N4SF6，CF4 第四章第四章在线干法腐蚀设备结构在线干法腐蚀设备结构/原理简介原理简介 在腐蚀工艺过程中需要特别考虑的常见事项有： 91PROFILE2CD LOSS3OXIDE LOSS4ETCH RATE5ETCH UNIFORMITY6SELECIVITY一OXIDE 腐蚀 6” 主要有 LAM384T，ASIQ，P5K-OXIDE；5” 主要有 AME8111。 主要腐蚀工艺有：孔腐

11、蚀，通孔腐蚀，SPACER 腐蚀，钝化腐蚀等；腐蚀气体主要为 CHF3，CF4，Ar，O2。其中 CHF3 是产生 POLYMER 的主要气体，可以提高对 Si/POLY-Si，PR 的选择比； 调整 CHF3/CF4 的比例，可以控制 POLYMER 的产生；Ar 为惰性气体，可以运载离子，增强离子轰击，帮助控制 POLYMER，调整 PROFILE；He 为背面冷却气体。孔和通孔都要求有良好的 AL 台阶覆盖。 384T 为三电极式结构（见下图示） ，ASIQ 为 4 个腔体的384T，P5K-OXIDE 为应用材料的 MXP+，采用静电吸附硅片，可以提高腐蚀速率的均匀性。 1VIA 腐蚀

12、一般分三步主要工艺 STEP1：OXIDE/PR=6：1STEP2：OXIDE/PR=1：2 STEP3：OXIDE/PR=2：1（1：1）-OVER ETCH STEP4：腔体清洗 10反应机理：CHF3 CF3+H CF3 CF2+F CHF3 CHF2+F CHF2 CHF+F影响选择比的几个主要因素：1) CHF3/CF4 RATIO2) PRESS3) Ar FLOW4) RF5) He COOLING6) 电极温度7) total concentration offluorinatedspecies2.spacer etch spacer 作用：1）实现注入自对准2）保护 POLY

13、 侧壁 spacer 腐蚀 STEP1：TEOS 终点控制 STEP2：LPSIN 终点控制/时间 STEP3：OVER ETCH STEP4：CLEANING 监控 FOX 损失量/SPACER 宽度2孔腐蚀STEP1：ISO ETCH （AE2001-1#）STEP2：ANISO ETCH （ASIQ/P5K-OXIDE RIE ETCH） 11 1230.9 Ar FILLET 二、METAL ETCH 13主要设备有 H-200，T1612，P5K-METAL，AME8330主要腐蚀气体：CL2/BCL3/CF4/N21AME8330 为多片式刻蚀系统，阳极为钟罩，阴极为六面体电极，共

14、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。2P5000-METAL 为单片式刻蚀系统，有一个 28 位的硅片储存室，可以一次将所有圆片传入室内，等待刻蚀。两个 PROCESS CHAMBER，一个 STRIP CHAMBER。三、POLY ETCH主要设备有 P5K-POLY，T1611主要腐蚀气体为 CL2，HBR，HCL 等。POLY ETCH PROCESS：STEP1-BREAKTHROUGH STEP（OPTIONAL） STEP2-MAIN ETCH STEP （OPTICAL EMISSIO

15、N ENDPOINT） STEP3-OVER ETCH STEP POLY 腐蚀工艺中需注意的是：1POST-ETCH SIDEWALL2STRINGERS3MICROLOADING4UNIFORMITY 145PROFILE/CD CONTROL6SELECTIVITY TO OXIDE7POLYSi：PR SELECTIVITY CF4 主要用于 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

16、 OXIDE 的选择比。 15 16第五章第五章干法腐蚀工艺中的终点检测干法腐蚀工艺中的终点检测 早期的监控方法是计时法：假定被腐蚀材料的膜厚已知，先通过实验确定腐蚀速率，然后在工艺过程中，由计时确定终点，单由于影响腐蚀速率的因素很多（如压力，温度，流量，气体比例等） ，腐蚀速率难于重复，用定时的方法不能满足工艺要求。用观察腐蚀过程中腐蚀层干涉颜色的变化来确定终点，其方法虽然简单，但它要求操作者能够识别不同复合层的图形颜色，而且需要有充分的暴露面积以供腐蚀过程中用肉眼观察，因而不适应大生产。采用终点控制可以较精确的控制腐蚀时间，屏蔽因为腐蚀速率的差异造成的时间误差，充分实现腐蚀设备的自动化。目

17、前主要有发射光谱法、光学反射法、质谱法、探针法、阻抗监视法等。总之，凡是在腐蚀终点能够发生明显变化的参量都可以作为终点检测的信号，形成相应的终点检测方法。现在我们常用的是光谱法。其物理理论是每一种物质受到能量激发，都会发出其特定的波长。硅片在被腐蚀的时候，腔体内维持一个稳定的反应气氛，所探测的物质波长发射密度基本不变，当硅片快要腐蚀结束时（即到达终点位置） ，密度会发生突变，这样经过光电信号转换，即可探测到终点位置。使用这种方法需要注意的是：1.所用于探测波长的物质必须要有足够的密度；2.必须要能够发生突变。 17 18第六章干法去胶当 SiO2 或 Al 等待刻蚀材料腐蚀完毕后，起刻蚀掩蔽作

18、用的光刻胶必须去除干净，以给下一步工序留下一个清洁的表面。去胶的基本原则是（1）去胶后硅片表面无残胶、残迹；（2）去胶工艺可靠，不损伤下层的衬底表面（3）操作安全，简便（4）无公害及生产成本低。目前除了采用湿法去胶外，还有等离子去胶（干法去胶） 。我们所用的干 19法去胶设备有 A1000（单片式） ，DES（筒式） 。A1000 去胶设备为一种等离子体下游式去胶，其去胶方式可以更小的减少对硅片的等离子损伤。去胶使用气体主要为 O2，与光刻胶中的 C 反应生成 CO，去胶温度一般在150 度左右。 20氮气会阻止氧自由基的碰撞，起到阻碍（buffer）的作用 21第七章第七章在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法1.腐蚀不净例：GASAD 有 SIN 残余原因分析：384 设备腐蚀能力不足，片内均匀性差，不能满足 1um 以下的产品工艺。处理方法：改用 P5K-SIN 腐蚀 1.0UM 以下产品的 GASAD。2AL 的后腐蚀原因分析：AL 腐蚀后去胶时间间隔太长，造成