刻蚀培训教材

刻蚀工艺培训教材

CompanyConfidential1摘要集成电路制造介绍刻蚀工艺基本概念CompanyConfidential2集成电路制造介绍

电路、芯片、管芯集成电路制作过程局部管芯剖面（BiCMOS工艺）CompanyConfidential3芯片、管芯、集成电路CompanyConfidential4集成电路制作过程氮化硅/氧化膜氧化膜多晶硅沉积硅化钨沉积TEOS沉积硼磷氧化膜金屬膜保护层沉淀匀光刻胶曝光显影化學蝕刻電漿蝕刻离子注入光罩投入硅片投入激光刻号硅片清洗去胶金属热处理/电性能测试晶背研磨硅片测試成品产出成品測試硅片封装WATCPSortCompanyConfidential5BiCMOS剖面（双层金属连线）CompanyConfidential6刻蚀工艺基本概念一、刻蚀的目的及作用二、刻蚀基本原理原理与过程三、刻蚀工艺的发展及我公司刻蚀当前状况四、刻蚀工艺评价项目、方法及标准五、刻蚀工艺控制方法六、刻蚀工艺选择需考虑的因素七、刻蚀工艺常见问题CompanyConfidential7一、刻蚀的目的及作用刻蚀是用物理或化学的方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程；一般分为两种：湿法刻蚀、干法刻蚀。刻蚀的基本作用是准确地复制掩膜图形，以保证生产线中各种工艺正常进行。CompanyConfidential8二、刻蚀过程与原理CompanyConfidential9湿法腐蚀

（WETETCHING)湿法腐蚀原理常见设备工作图主要试剂及用途优点及缺点生产线应用工艺主要控制参数CompanyConfidential10湿法刻蚀原理通过合适的化学溶液与所欲蚀刻的材质进行化学反应，然后转成可溶于此溶液的化合物，而达到去除的目的。湿法蚀刻的进行主要是凭借溶液与欲刻蚀材质之间的化学反应，因此，我们可以籍由化学溶液的选取与调配，得到适当的蚀刻速率，以及欲蚀刻材质对下层材质的良好蚀刻选择比。各向同性刻蚀CompanyConfidential11湿法腐蚀（WETETCHING)二氧化硅腐蚀-SiliconOxideEtchSiO2+6HF→H2SiF6+2H2OHF:刻蚀剂,NH4F:缓冲剂多晶硅腐蚀-Poly-SiEtchSi+HNO3+6HF→H2SiF6+HNO2+H2+H2OHNO3:氧化剂,HF:刻蚀剂金属铝腐蚀-AlEtchHNO3:氧化剂,H3PO4:刻蚀剂,CH3COOH:缓冲剂氮化硅腐蚀-SiliconNitirideEtchHot(>150℃)H3PO4:刻蚀剂3＃去胶-SC-3（120℃）H2SO4+H2O2=H2SO5+H2OH2SO5+PR=H2SO4+CO2+H2OCompanyConfidential12湿法腐蚀槽示意图M过滤器热交换器循环泵硅片外槽内槽试剂CompanyConfidential13主要的化学试剂BOE、BHF（HF/H2O)氟化氨腐蚀液（NH4F/HF/H2O)混酸4F（HNO3/NH4F/HF/H2O）铝腐蚀液（HNO3/H3PO4/CH3COOH)热磷酸（H3PO4)KOHCompanyConfidential14湿法刻蚀的优点及缺点优势Advantage-设备简单-可靠性-低成本-大通量-高选择比

缺点Disadvantage-各向同性刻蚀-CD难控制-刻蚀度（过刻）不易控制-不能应用于小尺寸-操作困难及危险-环境污染CompanyConfidential15生产线上的主要用途大尺寸图形腐蚀，例埋层（BL）氧化层漂净,例外延前氧化层漂净SiN剥离引线孔、通孔斜面腐蚀压点腐蚀CompanyConfidential16主要控制参数主要控制参数腐蚀速率溶液温度（热交换器、循环装置）溶液浓度（添加试剂、加工片量、放置时间）腐蚀时间人工计算终点控制CompanyConfidential17刻蚀的方向性各向同性(ISOTROPIC)各向异性(ANISOTROPIC)CompanyConfidential18颗粒PARTICLE比如当前我们有一个产品就不能采用干法刻蚀，因为下面有个光敏管，干法刻蚀的损伤会影响到其性能。分裂Dissociation一般来说，所刻蚀材料对其他材料的选择比越大越好，一般要求大于3：1。干法刻蚀在生产线上主要应用RIE反应离子刻蚀mostimportantwithboth:

independentcontrolofionenergyandioncurrentdensityCompanyConfidentialAR=heightoffeature/widthoffeature=h/w湿法腐蚀

（WETETCHING)氟化氨腐蚀液（NH4F/HF/H2O)CompanyConfidentialH2SO5+PR=H2SO4+CO2+H2O侧壁由于离子轰击能量小，无法破坏，因此反应停止CompanyConfidential干法刻蚀干法刻蚀原理什么是等离子体常见刻蚀设备干法刻蚀基本方法侧壁保护刻蚀终点控制（EndPointDetection）优点及缺点生产线应用CompanyConfidential19干法刻蚀（DRYETCHING）等离子干法刻蚀的原理可以概括为以下几个步骤：在低压下，反应气体在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体，等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团（Radicals）活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应并形成挥发性的反应生成物反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统抽出腔体。各向异性刻蚀CompanyConfidential20什么是等离子体

等离子体是低压气体(一般<1torr)在外界电场(DC,AC,RF,µwave)作用下，局部气体发生电离而产生的；它由正离子，电子，中性原子，中性分子组成。CompanyConfidential21电离Ionization分裂Dissociation激发Excitation

CompanyConfidential22桶式等离子刻蚀机CompanyConfidential23平板式等离子刻蚀机CompanyConfidential24Highdensityplasma(HDP)system ECRvsICPECRwasintroducedatOPTin1985.ICPwasintroducedmuchlater(1991-1995)forplasmaprocessing.mostimportantwithboth:

independentcontrolofionenergyandioncurrentdensitylower(substrate)electrodegrounded,RFdrivingopt.ElectronCyclotronResonance(ECR)Inductivelycoupledplasma(ICP)CompanyConfidential25等离子刻蚀的基本方法1.化学刻蚀ChemicalEtching2.物理刻蚀SputteringEtching3.离子增强刻蚀IonEnhancedEtchingRIE反应离子刻蚀MERIE磁场增强反应离子刻蚀ECR电子回旋共振刻蚀ICP感应耦合等离子体刻蚀CompanyConfidential261.化学刻蚀Chemical气体被离子化，形成等离子体。等离子体中的活性基团与基板物质反应，生成挥发性物质被抽走。各向同性纯化学反应选择比高反应压力高通量大低电子损伤例：等离子去胶CompanyConfidential272.物理刻蚀Sputtering离子在电场作用下通过离子轰击，撞出衬底原子。纯物理反应各向异性选择比差反应压力低单片工艺刻蚀速率低例：反溅射CompanyConfidential283.离子增强刻蚀IonEnhancedEtching离子轰击增加活性基团与基板材料的反应

损伤增加生成物的挥发化学溅射以化学方式增加物理溅射

离子反应CompanyConfidential29等离子刻蚀的的速率比较CompanyConfidential30等离子刻蚀各种效果图CompanyConfidential31各种等离子刻蚀比较CompanyConfidential32六、工艺选择的考虑因素后处理3（显影液）所用机台：AME-8330ECRwasintroducedatOPTin1985.三、刻蚀工艺的发展及我公司当前刻蚀状况比如当前我们有一个产品就不能采用干法刻蚀，因为下面有个光敏管，干法刻蚀的损伤会影响到其性能。umiformity=（max-min）/（2×average)×100%一个硅片内不同点间速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。光学放射频谱分析(OpticalEmissionCO-483.CompanyConfidential氟化氨腐蚀液（NH4F/HF/H2O)ECR电子回旋共振刻蚀(ANISOTROPIC)影响湿法腐蚀侵蚀的因素有：均匀性UNIFORMITY－－硅片内或硅片间速率偏差程度干法刻蚀材料、气体及产物CompanyConfidential33侧壁保护的等离子刻蚀

ProtectiveIonEnhanced一层保护膜在硅片上淀积，阻止反应剂到达被刻材料表面，使反应停止表面离子轰击破坏保护膜，使反应继续。侧壁由于离子轰击能量小，无法破坏，因此反应停止不挥发的高分子膜-(N2,HBr,BCl3,CH3F…..)CompanyConfidential34侧壁保护刻蚀过程CompanyConfidential35侧壁保护效果图HCl/O2/BCl3ChemistrySF6/CFCl3ChemistryCompanyConfidential36终点侦测(EndPointDetection)

干法刻蚀不像湿法刻蚀，有很高的选择比，过度的刻蚀会损伤下一层材料，因此，蚀刻时间就必须正确无误的掌握；另外，机台状态的些微变化，如气体流量、温度、或晶片上材料一批与一批间的差异，都会影响刻蚀时间的控制，因此，必须时常检测刻蚀速率的变化；使用终点侦测器的方法。可以计算出刻蚀结束的正确时间，进而准确地控制过度刻蚀的时间，以确保多次刻蚀的再现性。

常见的终点侦测有三种方法：

1.光学放射频谱分析(OpticalEmissionCO-483.5nmAL-396nm)2.雷射干涉量度分析(Laser)3.质谱分析(MassDetection)Laser利用雷射光垂直射入透明的簿膜，在透明簿膜前被反射的光线与穿透簿膜后被下层材料反射的光线相干涉时，来侦测终点。CompanyConfidential37SF6刻蚀放射光谱图CompanyConfidential38典型终点检测曲线图CompanyConfidential39等离子刻蚀负载效应宏观效应单位面积反应浓度微观效应溅射材质聚合物生成物扩散CompanyConfidential40干法刻蚀的优点及缺点•优点Advantages:没有光刻胶支持问题

各向同性刻蚀

化学物品消耗少

反应生成物处理成本低自动化程度高•缺点Disadvantages:设备复杂，

RF,气体系统,真空系统,选择比低残渣、聚合物、重金属产生颗粒使用氟系、氯系气体

CompanyConfidential41干法刻蚀在生产线上主要应用光刻胶剥离（干法去胶）Organicstripping硅刻蚀Siliconetching介质层刻蚀Dielectricetching(SiO2,Si3N4,etc.)金属刻蚀MetaletchingCompanyConfidential42干法刻蚀应用硅刻蚀（单晶硅、多晶硅）

-工艺:ISO,WL,BL,Capacitor(SN,CP),PolyE/B…etc-使用气体:Cl2,HBr,NF3,CF4,SF6,等金属刻蚀（Al,W,Ti,TiN,Pt,…）

-工艺:WL,BL,Cap,MLM:Al,W,Pt,Ru,Ta,etc-使用气体:Cl2,BCl3,CCl4,etc介质刻蚀（SiO2,Si3N4,PSG,BPSG,SiON…）

-工艺:ISO,Contact(PolyC/T,MetalC/T,Via),Spacer，PlanarEtchBack,Pad&Repair-使用气体:fluoro-compounds(CF4,CHF4,C4F8,….etc)CompanyConfidential43三、刻蚀工艺的发展及我公司当前刻蚀状况CompanyConfidential44我公司当前用到的刻蚀方法主要是湿法腐蚀与等离子刻蚀，适用于线宽1.5um以上产品。其中湿法腐蚀应用工序有：1、氧化层腐蚀：如BL-ET、DI-ET、EI-ET、CW-ET、CO-ET等；所用机台：湿法腐蚀台（7：1BOE）2、氮化硅去除：FN-WO所用机台：磷酸槽（160℃）3、湿法铝腐蚀：LA-ET所用机台：铝腐蚀台4、后处理：后处理1（硝酸）、后处理2（混酸4F）、后处理3（显影液）所用机台：酸槽CompanyConfidential45等离子刻蚀应用工序主要有：1、氧化层刻蚀：DI-ET、CO-ET、VA-ET、PA-ET等；所用机台：AME-8110、LAM-590、TEGAL-9032、氮化硅刻蚀：AA-ET、CA-ET等；所用机台：LAM-490、TEGAL-9013、铝刻蚀：LA-ET、LB-ET。所用机台：AME-83304、干法去胶：所用机台：TEGAL-415、TEGAL-915CompanyConfidential46四、刻蚀工艺评价项目、方法与标准刻蚀速率ETCHRATE－－单位时间内刻蚀掉的厚度均匀性UNIFORMITY－－硅片内或硅片间速率偏差程度CD损失CDLOSS－－刻蚀前后线条的变化量选择比SELECTIVITY－－不同材质之间的刻蚀速率比过刻蚀OVERETCH－－刻蚀干净后额外的刻蚀量剖面PROFILE－－刻蚀后台阶的形貌颗粒PARTICLE损伤PLASMADAMAGE（干法刻蚀）聚合物POLYMER（干法刻蚀）残留物RESIDUE（干法刻蚀）CompanyConfidential47刻蚀速率：1、稳定性：反映工艺的可重复能力，要求波动范围在±10%以内。可以通过计算CPK大小来进行评价；2、大小：大小直接决定机台通量，因此在稳定性及机台与产品承受能力满足要求的情况下，应尽量提高刻蚀速率。CompanyConfidential48均匀性：umiformity=（max-min）/（2×average)×100%1、片内均匀性：一个硅片内不同点间速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。2、片间均匀性：不同硅片间速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。CompanyConfidential49多数道次要求越小越好，但某些道次，如引线孔等，则有特殊要求。所用机台：AME-8330台阶形貌对台阶的覆盖能力有很大影响。可以计算出刻蚀结束的正确时间，进而准确地控制过度刻蚀的时间，以确保多次刻蚀的再现性。CompanyConfidential(ANISOTROPIC)•优点Advantages:CompanyConfidential反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统抽出腔体。等离子干法刻蚀的原理可以概括为以下几个步骤：刻蚀是用物理或化学的方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程；1、氧化层腐蚀：如BL-ET、DI-ET、EI-ET、CW-ET、CO-ET等；CompanyConfidential聚合物POLYMER（干法刻蚀）多数道次要求越小越好，但某些道次，如引线孔等，则有特殊要求。CD损失：不同道次对CDLOSS要求不一。多数道次要求越小越好，但某些道次，如引线孔等，则有特殊要求。CompanyConfidential50选择比：不同材质之间的刻蚀速率比。一般来说，所刻蚀材料对其他材料的选择比越大越好，一般要求大于3：1。但也有例外，如我们当前所用的通孔刻蚀工艺，就要求SiO2：PR的选择比在一定范围内，以保证能够刻出斜孔来。CompanyConfidential51过刻蚀：因为要刻蚀材料的厚度以及刻蚀速率都会有一定的波动，为了保证刻蚀干净，一定量的过刻蚀是必须的。过刻蚀量越多，越能保证刻蚀干净。但过刻蚀会造成CDLOSS、还会对其它材质造成损伤，因此过刻蚀量的确定要根据材质与刻蚀速率均匀性、CDLOSS、刻蚀选择比等来综合确定，一般过刻蚀量在20%-40%之间为宜。CompanyConfidential52剖面（台阶形貌）：台阶形貌对台阶的覆盖能力有很大影响。评价台阶形貌的主要有：1、台阶角度（profile)：对某些道次来说，要求台阶要陡，如多晶刻蚀；对某些道次来说，则要求台阶要较缓，如引线孔刻蚀、通孔刻蚀等；台阶越陡，覆盖能力越差，越缓，覆盖能力越好；2、纵横比（Aspectratio）：AR=heightoffeature/widthoffeature=h/w纵横比越大，台阶越不易覆盖。CompanyConfidential53颗粒：刻蚀过程中所产生的尘埃。越少越好，现在要求干法机台小于50颗，湿法小于30颗。CompanyConfidential54等离子损伤：由于干法刻蚀刻蚀选择性差，特别是物理刻蚀。损伤程度与刻蚀的等离子强度、选择比、刻蚀时间等因素都有关。可接受水平，不同产品、不同的道次要求不一样。比如当前我们有一个产品就不能采用干法刻蚀，因为下面有个光敏管，干法刻蚀的损伤会影响到其性能。CompanyConfidential55聚合物：聚合物能够进行侧壁保护，从而刻蚀出比较陡直的台阶形貌和降低CDLOSS，但太多的聚合物会使刻蚀速率降低，并在腔体及产品表面沉积。导致机台PM的频度提高，另外产品表面的聚合物如果未能有效去除干净，会对产品性能和外观产生不良影响，甚至失效。对聚合物的去除一般会采用专门的材料。CompanyConfidential56残留物：残留物指刻蚀后残留在产品表面的反应副产物等，其去除不干净同样会影响到产品性能与外观。干法刻蚀时，要求反应生成物应比较容易挥发。大家都知道，铜是一种非常好的金属连线材料，但一直未在集成电路中广泛应用，其中很重要的一点就是其刻蚀后的反应生成物难以去除。CompanyConfidential57五、刻蚀工艺常见控制方法1、点检：是最基本，也是比较简单与粗略的控制方法，通过对机台一些可能影响到工艺的内容进行检查，从而确认设备与工艺是否正常的方法。常用于对机台及工艺进行初步与直观的判定，比如设备的日常点检。CompanyConfidential582、SPEC：对某些相对要求较高、影响因素较多的关键工艺参数，日常点检正常并不能保证工艺正常。则除了要进行日常点检外，还要进行SPEC控制，如刻蚀速率等。CompanyConfidential593、SPC：采用SPEC控制方法，最大的缺点是仍比较粗略，对某些关键参数，如果等到超出SPEC后再采取行动的话，往往有很多异常品已经产生。SPC的最大优点就是在异常发生之前，通过一些预警判断，及时采取正确的行动，防止异常品产生。CompanyConfidential60六、工艺选择的考虑因素1、精度要求：根据不同的尺寸要求不同的刻蚀方法、刻蚀机台与刻蚀工艺，刻蚀工艺的确定要综合考虑各个项目，如刻蚀速率、选择比、刻蚀均匀性、CDLOSS、PROFILE等；2、成本与通量：在能够满足产品精度要求的情况下，应尽量降低成本与提高通量。我们的目的是用最简单最经济的办法生产出能够满足客户需要的产品。CompanyConfidential61七、刻蚀工艺常见问题侵蚀：影响湿法腐蚀侵蚀的因素有：腐蚀液类型、腐蚀温度、腐蚀时间、过腐蚀量、产品表面状况（胶与材料的粘附性）、烘烤温度、烘烤时间等；影响干法刻蚀侵