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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+6HFH2SiF6+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432***2**3**4*CFCFFCFFCFFCF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。44*SiFSiF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:CF4CCl3FCCl2F2CHCl2FCF4+(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CbVaV工作原理(以射频型为例):aVbVittt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0.1-0.2mm,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46CFSFSi、Poly-Si、Si3N4、Mo、WCHF3SiO2CCl3Al,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(0.01mm);(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/P
本文标题:半导体工艺基础---第五章-刻蚀
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