08 干法腐蚀工艺

WuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司1By:王永刚2002-7-20WuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司2目录第零章前言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WuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司3VSiO2VUX前言在集成电路制造工艺中，刻蚀技术与光刻技术统称为精细加工技术，所不同的是光刻工艺仅仅是一种表面加工技术而刻蚀工艺则是光刻工艺的延伸和发展，晶片经过曝光、显影后，在光刻胶上显示出集成电路的图形，刻蚀即利用显影后的光刻胶图形作掩蔽，在SIO2、SI3N4、金属膜、多晶硅等不同类型的薄膜上刻蚀出与光刻胶图形相同的集成电路图形来，实现图形的转移。随着集成电路的集成度不断提高，加工线宽越来越小，人们在追求“微细化”的过程中，进行了大量的研究工作，其中之一是曝光技术，之二便是刻蚀技术。光刻胶上的图形能作多精细，是由曝光技术所决定的，而光刻胶下的图形能作多精细，则是由刻蚀技术所决定的。如果没有超精细曝光技术，当然谈不上刻出精细图形；同样，有了超精细的曝光技术，如果没有超精细的刻蚀技术与之匹配，精细加工同样不能实现，因此说，刻蚀技术也是微细加工技术最核心的工艺之一。刻蚀方法从宏观上可分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类，各有其优缺点：1．湿法刻蚀技术采用化学试剂进行刻蚀工艺。优点：设备简单，刻蚀损伤小。缺点：刻蚀精度差，是各向同性刻蚀，在刻蚀过程中，不但向纵向刻蚀，而且还向侧向刻蚀。湿法刻蚀线宽一般在3um以上。2．干法刻蚀技术干法刻蚀主要指采用纯化学作用的等离子腐蚀及纯物理作用的离子腐蚀或具有物理、化学作用的腐蚀方法，是利用气相刻蚀剂与被刻蚀的样品表面接触而实现的刻蚀技术。优点：刻蚀精度高，是各向异性刻蚀，可以同时刻蚀多层膜，可以实现自动化操作，自动终点控制腐蚀精确，避免使用化学试剂等。缺点：选择比差，设备昂贵，对光刻胶的要求较高。随着大规模集成电路的发展，早先所依靠的湿法腐蚀工艺的局限性愈加突出，湿法工艺不仅加工精度低，限制了器件尺寸向微细化发展，同时引起了化学试剂对器件的沾污、环境污染及废液处理等一系列问题，而干法技术因其刻蚀精度高已受到人们的日益重视和推广应用，从60年代后期干法技术最初应用于半导体工艺至今，干法技术在LSI、VLSI中得到的应用越来越广泛，对于刻蚀精度可用保真度、选择比、均匀性来衡量。1.1保真度，就是要求把光刻胶的图形准确地转移到其下的薄膜上，而没有失真，也就是，希望只有纵向刻蚀而没有横向刻蚀。但实际上总有横向刻蚀，横向刻蚀量的大小，可用刻蚀因子来描述。刻蚀因子定义为：刻蚀深度V与横向刻蚀量X之比，即刻蚀因子F=V/X（如图1.1所示）图1.1刻蚀因子F越大，保真度越好。1.2选择比，就是要求刻蚀剂只刻蚀所要刻蚀的膜，而对其下的衬底，及其上的抗蚀剂无刻蚀。实际上，在刻蚀薄膜的同时，对衬底和抗蚀剂也会有刻蚀的，只是刻蚀速率不同。选择比就是用来描写刻蚀速率之比。设对所要刻蚀的薄膜刻蚀速率为V，对衬底刻蚀速率为U，则选择比S=，S越大，说明选择比越好。1.3刻蚀均匀性。现在超大规模集成电路采用的大圆片一般在4~12英寸，如果在硅大圆片上生长的薄膜厚度不均匀和各个部分刻蚀速率不均匀，都会导致刻蚀图形转移不均匀，造成有的地方刻蚀未净，另一些地方却刻蚀过度。因此，要获得高质量的刻蚀，控制刻蚀的均匀性，也是十分重要的。resistSiWuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司4第一章基本概念1、Etch---腐蚀腐蚀就是通过一定的方法（化学药液，特气等）把光刻曝光显影后形成的图形转移到硅片上，从而形成管芯的各种结构和图形。2、腐蚀的对象1)Dielectric(oxide,nitride,etc.)2)Silicide(polysiliconandsilicide)3)Silicon(singlecrystalsilicon)4)Metal(AL.Cu.Si)3、E/R（EtchRate）---腐蚀速率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---腐蚀速率均匀性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---选择比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）6.、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。WuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司5MACROLOADING（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11、STEPCOVERAGE----台阶覆盖率WINDOW/VIA内最薄处的AL厚与正常AL厚的比例。第二章干法腐蚀基本原理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WuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司6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。WuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司7二、反应离子腐蚀---RIE反应离子腐蚀可以看作是一种反应压力更低、各向异性作用更强、腐蚀速率更高的等离子腐蚀，因其既有化学作用，又有物理作用，所以能获得良好的腐蚀效果。常见的反应离子腐蚀结构有两种：其一为一般的阴极耦合方式，样品置于加有高频的阴极上；其二为阳极耦合方式，样品置于接地的阴极上，阳极接高频电源，可以认为是等离子腐蚀的变异。阴极耦合方式阳极耦合方式抽气进气阳极阴极抽气进气阳极阴极WuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司8三、平板反应离子腐蚀与平板等离子腐蚀的区别1．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。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：WuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司9STEP1：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(SOG)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WuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司10表面时发生下述反应：COF*F*+CO4F*+SiSiF42.Metal的等离子腐蚀对于Al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的工艺中最常遇到的就是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。而对于W腐蚀来讲，则是利用氟化物作为腐蚀剂（通常使用SF6），生成具有挥发性的WFx，以达到Etchback的目的。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，CF4WSF6，ArWuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司11第四章在线干法腐蚀设备结构/工艺原理简介在腐蚀工艺过程中需要特别考虑的常见工艺参数有：1．ETCHRATE2．ETCHUNIFORMITY3．SELECIVITY4．PROFILE5．CDLOSS6．OXIDELOSS7．WIDOW/VIASTEPCOVERAGE一、SIN腐蚀SIN腐蚀的目是为的了形成有源区（即器件形成区域）.但是在这一步被腐蚀的SIN区域是后面长的是场氧，形成场区，SIN留下的区域才是有源区。GASAD腐蚀设备是P5K-SIN，低压力，终点控制，腐蚀气体主要是SF6，腐蚀速率在2200A/MIN，SIN对OXIDE的选择比在3左右。SIN腐蚀需要特别注意是就是1.保证SIN腐蚀干净2.留有一定的SIO2，不能腐蚀到SI衬底上。3.由于SIN及PADOXIDE的厚度都较薄，所以对腐蚀均匀性的要求也很高。在线监测腐蚀后的残氧。二、OXIDE腐蚀主要有LAM384T，ASIQ，P5K-OXIDE。主要腐蚀工艺有：孔腐蚀，通孔腐蚀，SPACER腐蚀，平坦化腐蚀，钝PRSINPADOXIDESISUBGASADETCHWuxiCSMC-HJCo.,Ltd.无锡华晶上华半导体有限公司12化腐蚀等；腐蚀气