半导体工艺基础 第五章 刻蚀

西南科技大学理学院2013.03.15第五章Etch刻蚀Etch刻蚀内容熟悉刻蚀术语比较：干法刻蚀、湿法刻蚀IC工艺中四种被刻蚀的材料和主要的刻蚀剂IC工艺的刻蚀过程注意刻蚀工艺中的危险DefinitionofEtchProcessthatremovesmaterialfromsurfaceChemical,physicalorcombinationofthetwoSelectiveorblanketetchSelectiveetchtransfersICdesignimageonthephotoresisttothesurfacelayeronwaferOtherapplications:Maskmaking,Printedelectronicboard,Artwork,etc.栅掩膜对准GateMaskAlignment栅掩膜曝光GateMaskExposureDevelopment/HardBake/InspectionEtchPolysilicon刻蚀多晶硅EtchPolysilicon继续StripPhotoresist剥去光刻胶IonImplantationRapidThermalAnnealing刻蚀术语刻蚀速率选择比刻蚀均匀性刻蚀剖面湿法刻蚀干法刻蚀RIE：反应离子刻蚀刻蚀速率Δd=d0-d1

(Å)isthicknesschangeandtisetchtime(min)PE-TEOSPSGfilm,1minutein6:1BOEat22°C,Beforeetch,t=1.7mm,Afterwetetch,t=1.1mm刻蚀均匀性圆片上和圆片间的重复性StandardDeviationNon-uniformity标准偏差不均匀性NpointsmeasurementsMax-MinUniformity最大最小均匀性刻蚀选择比Selectivityistheratioofetchratesofdifferentmaterials.Selectivitytounderneathlayerandtophotoresist举例EtchrateforPE-TEOSPSGfilmis6000Å/min,etchrateforsiliconis30Å/min,PSGtosilicon刻蚀剖面刻蚀剖面湿法刻蚀WetEtch湿法刻蚀WetEtchChemicalsolutiontodissolvethematerialsonthewafersurface刻蚀的副产品是气体液体或者是一些溶解在刻蚀溶剂中的物质Thebyproductsaregases,liquidsormaterialsthataresolubleintheetchantsolution.Threebasicsteps,etch,rinseanddryWetEtch纯粹的化学过程，且各向同性Purechemicalprocess,isotropicprofile广泛的应用IC工业生产中，当特征尺寸小于3微米WaswidelyusedinICindustrywhenfeaturesizewaslargerthan3micronStillusedinadvancedICfabs–硅片的清洗Waferclean–表面薄膜的清除Blanketfilmstrip–测试硅圆薄膜和清清洗Testwaferfilmstripandclean湿法刻蚀剖面WetEtchProfilesCan’tbeusedforfeaturesizeissmallerthan3mmReplacedbyplasmaetchforallpatternedetch湿法刻蚀硅的氧化物

SiliconDioxide运用HF溶液HydrofluoricAcid(HF)SolutionHF溶液中通常添入氟化铵，即为缓释溶液，或者掺入高纯水以减缓刻蚀速度SiO2+6HF®H2SiF6+2H2OWidelyusedforCVDfilmqualitycontrolBOE:Bufferedoxideetch（氧化层缓释刻蚀）WERR:wetetchrateratio（湿法刻蚀速率）WetEtchingSiliconorPolySiliconetchnormallyusemixtureofnitricacid(HNO3)andhydrofluoricacid(HF)HNO3oxidizesthesiliconandHFremovestheoxideatthesametime.DIwateroraceticacidcanbeusedtodilutetheetchant,andreducestheetchrate.IsolationFormationWetEtchingSiliconNitrideHot(150to200°C)phosphoricacidH3PO4Solution在180°C对硅的氧化物具有高度的选择性Highselectivitytosiliconoxide用于硅的局部氧化或氮化物的清除UsedforLOCOSandSTInitridestripWetEtchingAluminumHeated(42to45°C)solutionOneexample:80%phosphoricacid,5%aceticacid,5%nitricacid,and10%waterNitricacidoxidizesaluminumandphosphoricacidremovesaluminumoxideatthesametime.Aceticacidslowsdowntheoxidationofthenitricacid乙酸降低硝酸氧化的速度.WetEtchingTitaniumH2O2:H2SO4=1:1H2O2oxidizestitaniumtoformTiO2H2SO4reactswithTiO2andremovesitsimultaneouslyH2O2oxidizessiliconandsilicidetoformSiO2H2SO4doesn’treactwithSiO2影响湿法刻蚀的因素

FactorsthatAffectWetEtchRate温度Temperature化学试剂的浓度Chemicalconcentration被刻蚀的薄膜成份Compositionoffilmtobeetched湿法刻蚀的危险HFH3PO3HNO4H2SO4腐蚀剂Corrosive氧化剂OxidizerAdvantagesofWetEtch高选择性Highselectivity相对便宜的设备Relativelyinexpensiveequipment完整的设备，大批量生产Batchsystem,highthroughputDisadvantagesofWetEtch各向同性（横向）刻蚀IsotropicProfile不能得到3mm以下的特征尺寸Can’tpatternsub-3mmfeature过高的化学药品使用量Highchemicalusage有危险的化学药品Chemicalhazards

干法刻蚀PlasmaEtch等离子体刻蚀反应离子刻蚀（RIE）离子束腐蚀（一）、等离子体腐蚀原理低压（13~1300Pa）环境中RF电场作用下，气体原子或分子产生电离，形成自由离子、电子及自由基（中性原子和分子）构成的等离子体。其中自由基占90%以上。自由基是一种处于激发态的气体粒子，具有较强的化学活性，又称活性基，它与被刻蚀物质发生化学反应，产生挥发性物质，达到腐蚀的目的。因等离子体中活性基自由程较小，可以认为到达被刻蚀材料上各处粒子的碰撞几率大致相同，因而等离子腐蚀是各向同性的。一、等离子体刻蚀如Si、多晶硅的等离子腐蚀，采用CF4气体作为腐蚀气体：CF4气体电离后，形成自由基激发态氟基F*和上述材料分别反应如下：反应后生成的SiF4有很高的挥发性，随即被抽走。等离子腐蚀装置1、圆筒形反应器（二）、等离子腐蚀装置1、圆筒形反应器(1)可用于干法去胶，反应气体为氧等离子体。(2)带孔的铝屏蔽罩把等离子体与反应室隔开，只有较长寿命的自由基达到硅片表面进行腐蚀，从而避免硅片直接受离子轰击的影响，显著提高腐蚀的均匀性，增加光刻胶的寿命；(3)通过铝屏蔽罩的反应粒子以任意方向入射到硅片表面上，因而圆筒形刻蚀为各向同性。2、平行平板型反应器该结构特点：（1）上下电极彼此平行，间距2~5cm，电场均匀地分布在平行极板之间，电场中的离子垂直硅片表面作定向运动，使腐蚀具有一定的各向异性；（2）腐蚀速率高，选择性好，设备简单，成本低。1、腐蚀速率(1)射频功率越高，腐蚀速率越快。但较高的功率会降低光刻胶的抗蚀性，导致腐蚀的可控性变差；(2)增加腐蚀气体流量，将增加活性离子浓度，腐蚀速率相应增大。但流量过大会导致压力增高，使电子的自由程缩短，气体的离化率变低，腐蚀速率会下降；(3)衬底温度升高，腐蚀速率增大。为确保腐蚀的重复性，须精确控制反应室与衬底温度；（三）、等离子腐蚀性能

(4)腐蚀气体种类和气体成份对腐蚀速率影响较大。各种含氟气体对Si（111）面的腐蚀速率的顺序如下：CF4>CCl3F>CCl2F2>CHCl2FCF4+（5~12%）O2刻蚀气体:Si/SiO2刻蚀速率比为10：1CF4+H2刻蚀气体：SiO2/Si刻蚀速率比102、腐蚀均匀性采用平行平板反应器且反应室采用恒温控制可提高片内、片间及批次间腐蚀均匀性。3、负载效应在给定气体流量、气压和输入功率条件下，待刻蚀样品数量增加，刻蚀速率下降。（一)、反应离子刻蚀（RIE）1、原理在很低的气压下（1.3~13Pa）通过反应气体放电产生各种活性等离子体，射频电场使活性离子作定向运动，产生各向异性腐蚀；活性离子在电场作用下又加速化学反应过程，加快了腐蚀的速度。不仅能刻蚀用等离子体刻蚀法难以刻蚀的Al-Si-Cu、SiO2等材料，其刻蚀的方向性也优于等离子体腐蚀法，因此是目前VLSI广泛采用的干式腐蚀方法。二、反应离子刻蚀（RIE）2、RIE刻蚀装置接地电（阳极）等离子体区（亮区）电位降区（暗区）浮空电极（阴极）射频发生器工作原理（以射频型为例）：直流偏压3、特点（1）化学反应与物理反应相结合，产生各向异性腐蚀，刻蚀效果好；分辨率能达到0.1-0.2m，对大多数材料的选择比已超过10：1。（2）RIE的反应气压极低反应气压低，气体的平均自由程大，导致离子被电场作用的距离、速度与动能增大，加速轰击样品表面，物理切削作用强。4、刻蚀气体与被刻蚀材料Si、Poly-Si、Si3N4、Mo、WCHF3SiO2

CCl3Al,TiO2光刻胶1、原理射频等离子体中产生的惰性气体离子Ar+在低压（0.13~13Pa）环境中被加速轰击样品表面，通过和样品材料原子间的动量交换达到腐蚀的目的。2、特点（1）纯物理性腐蚀法，各向异性腐蚀，腐蚀速率低；三、离子束腐蚀（离子铣）（2）离子纯度高，定向性好，离子能量分布均匀，分辨率很高（0.01m）；（3）可腐蚀任何材料，刻蚀重复性、均匀性优良；（4）缺点是腐蚀速率慢，刻蚀选择性较差，刻蚀时会产生再淀积现象。3、被刻蚀材料：Si、SiO2、GaAs、Ag、Au、光刻胶等。几个概念：

平均自由程MeanFreePath(MFP)Theaveragedistanceaparticlecantravelbeforecollidingwithanotherparticle.N是粒子浓度nisthedensityoftheparticleσ是粒子碰撞的横截面积σisthecollisioncross-sectionoftheparticleEffectofpressure:λ∝1/PPressuretoohigh,MFPwillbetooshort电离需要15eV的能量Ionizationusuallyrequireatleast15eVElectronscan’tgetenoughenergytoionizeifMFPistooshort需要真空和RF维持稳定的等离子体NeedvacuumandRFtostartandmaintainstabilizeplasma离子轰击IonBombardmentElectronsaremovingmuchfasterthanionsElectronsreachelectrodesandchamberwallfirstElectrodesarechargednegatively,repelelectronsandattractionsChargedifferencenearthesurfaceformssheathpotentialSheathpotentialacceleratesionstowardstheelectrodeandcausesionbombardment离子轰击的相关条件

IonBombardmentIonenergyIondensityBothcontrolledbyRFpower离子轰击控制IonBombardmentControl

－RF功率RFpowerIncreasingRFpower,DCbiasincreases,iondensityalsoincreases.离子浓度与离子冲击能量都需要通过射频控制BothiondensityandionbombardmentenergyarecontrolledbyRFpower.RFpower是控制刻蚀速率的主要手段RFpoweristhemainknobtocontroletchrate–IncreasingRFpower,increasesetchrate–usuallyreducesselectivity自偏压Self-BiasDifferentsizeelectrodesNonetchargebuildupinplasmaChargefluxesonbothelectrodesarethesameSmallerelectrodehashigherchargedensityLargerDCbiasbetweenplasmaandsmallerelectrode干法刻蚀和湿法刻蚀的比较化学刻蚀ChemicalEtch纯粹的化学反应Purelychemicalreaction产生的副产品是气体或者可以直接溶在刻蚀剂中ByproductsaregasesorsolubleinetchantsHighselectivity各向同性IsotropicetchprofileExamples:–Wetetch–Drystrip物理刻蚀PhysicalEtch惰性离子的轰击BombardmentwithinertionssuchasAr+通过物理手段除去表面的材料Physicallydislodgingmaterialfromsurface有等离子过程Plasmaprocess各向异性Anisotropicprofile低的选择率LowselectivityExample:–氩的溅射刻蚀Argonsputteringetch反应离子刻蚀ReactiveIonEtch(RIE)化学刻蚀和物理刻蚀的结合离子轰击＋活性离子反应刻蚀速率高且可控刻蚀剖面各向异性且可控选择性好且可控目前8英寸制造中所有图形都是由RIE刻蚀的RIE试验EtchProcessSequencePLASMAETCHEtchdielectricEtchsinglecrystalsiliconEtchpolysiliconEtchmetalDielectricEtchEtchoxide–Dopedandundopedsilicateglass–Contact(PSGorBPSG)–Via(USG,FSGorlow-kdielectric)Etchnitride–STI（浅层隔离）–Bondingpad（钝化层）DielectricEtchFluorinechemistry4F+SiO2®SiF4+2OCF4iscommonlyusedasfluorinesourceNF3andSF6havealsobeenusedSingleCrystalSiliconEtchSmallamountO2forsidewallpassivatio