干法腐蚀工艺培训讲义

1干法腐蚀工艺培训讲义目录第一章基本概念第二章干法腐蚀基本原理第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺第四章在线干法腐蚀设备结构/原理简介第五章干法腐蚀工艺中的终点检测第六章干法去胶第七章在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法第一章基本概念21．WHATISETCHED？Aprocessforremovingmaterialinaspecifiedareathroughchemicalreactionand/orphysicalbombardment.2.WHATWEETCHED?1)Dielectric(oxide,nitride,etc.)2)Silicide(polysiliconandsilicide)3)Silicon(singlecrystalsilicon)4)Metal(AL.Cu.Si)3.WHATISETCHRATE?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/RUNIFORMITY表示一个圆片中不同点腐蚀速率的差别（WITHINAWAFER）或两个以上圆片片与片之间的腐蚀速率差异（WAFERTOWAFER。）如：假定一个圆片片内测试了5个点，那就有5个速率值UNIFORMITY=（MAXETCHRATE—MINETCHRATE）/2/（AVERAGEETCHRATE）*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。7．ANISOTROPY---各向异性腐蚀速率在纵向和横向上不一样。8．CD---（CRITICALDIMENSIONS）关键尺寸CDLOSS---条宽损失9．LOADING---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。10．PROFILE---剖面形貌第二章干法腐蚀基本原理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：①圆筒型等离子腐蚀②平行板等离子腐蚀③平行板反应离子腐蚀④反应离子束腐蚀⑤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、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13~133Pa；反应离子腐蚀的压力为0.13~13Pa，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。第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺1．POLY-SI，SI3N4，SIO2的等离子腐蚀通常使用含F的腐蚀性气体，如CF4CF4CF3+F*CF3CF2+F*CF2CF+F*Si+4F*SiF4SiO2+4F*SiF4+O2Si3N4+12F*3SiF4+2N2CFx（x≤3）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：Si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+O2F*+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*+CO4F*+SiSiF482.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+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第四章在线干法腐蚀设备结构/原理简介在腐蚀工艺过程中需要特别考虑的常见事项有：1．PROFILE2．CDLOSS93．OXIDELOSS4．ETCHRATE5．ETCHUNIFORMITY6．SELECIVITY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。1．VIA腐蚀一般分三步主要工艺STEP1：OXIDE/PR=6：1STEP2：OXIDE/PR=1：2STEP3：OXIDE/PR=2：1（1：1）----OVERETCHSTEP4：腔体清洗反应机理：CHF3CF3+HCF3CF2+FCHF3CHF2+FCHF2CHF+F10影响选择比的几个主要因素：1)CHF3/CF4RATIO2)PRESS3)ArFLOW4)RF5)HeCOOLING6)电极温度7)totalconcentrationoffluorinatedspecies2.spaceretchspacer作用：1）实现注入自对准2）保护POLY侧壁spacer腐蚀STEP1：TEOS终点控制STEP2：LPSIN终点控制/时间STEP3：OVERETCHSTEP4：CLEANING监控FOX损失量/SPACER宽度2．孔腐蚀STEP1：ISOETCH（AE2001-1#）STEP2：ANISOETCH（ASIQ/P5K-OXIDERIEETCH）11123．0.9ArFILLET二、METALETCH主要设备有H-200，T1612，P5K-METAL，AME8330主要腐蚀气体：CL2/BCL3/CF4/N2131．AME8330为多片式刻蚀系统，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。2．P5000-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PROCESSCHAMBER，一个STRIPCHAMBER。三、POLYETCH主要设备有P5K-POLY，T1611主要腐蚀气体为CL2，HBR，HCL等。POLYETCHPROCESS：STEP1-BREAKTHROUGHSTEP（OPTIONAL）STEP2-MAINETCHSTEP（OPTICALEMISSIONENDPOINT）STEP3-OVERETCHSTEPPOLY腐蚀工艺中需注意的是：1．POST-ETCHSIDEWALL2．STRINGERS3．MICROLOADING4．UNIFORMITY5．PROFILE/CDCONTROL6．SELECTIVITYTOOXIDE7．POLYSi：PRSELECTIVITY14CF4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HFDIP，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。1516第五章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。1718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）。我们所用的干法19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