干法和湿法腐蚀讲稿

干法腐蚀和湿法腐蚀无锡华润晶芯半导体有限公司目录•介绍•术语•湿法和干法腐蚀•等离子体基础•具体的腐蚀工艺介绍腐蚀的定义•腐蚀工艺就是从表面除去材料•化学，物理，结合三种作用•选择性的或整体腐蚀•选择性腐蚀将IC设计的图象通过光刻胶转移到硅片表面层上去栅掩膜的对准栅掩膜的曝光显影、后烘、检查腐蚀多晶腐蚀多晶（续）去胶工艺流程腐蚀的术语•腐蚀速率•选择比•腐蚀均匀性•腐蚀剖面•湿法腐蚀•干法腐蚀•反应离子腐蚀（RIE）•终点腐蚀速率•腐蚀速率用这种材料从硅片表面被腐蚀有多快来衡量腐蚀速率腐蚀均匀性•腐蚀均匀性用片内和片间的工艺可重复性来衡量•厚度测量测的是不同点的腐蚀之前和腐蚀之后•越多的测量电,越高的准确性•通常使用的是标准偏差定义•不同的定义给出不同的结果标准偏差的非均匀性•N个点的测量最大-最小的均匀性•腐蚀的不均匀性可以通过下面的等式（叫做最大－最小均匀性）来计算选择比•选择比是不同材料的腐蚀速率之比•在图形腐蚀方面很重要•选择比是对下层薄膜和对光刻胶选择比选择比EtchProfilesEtchProfiles负载效应:macroloading•硅片上较大的曝露区域和较小的曝露区域的腐蚀速率是不同的•主要影响批腐蚀的工艺•在单片工艺上有较小的影响负载效应:microloading•较小的孔腐蚀速率相对于较大的孔的腐蚀速率来说比较低•腐蚀物质比较难通过较小的孔•腐蚀的副产物更难扩散出来•较低的气体压力能使这个效应最小化•越大的平均自由程，对腐蚀物质要到达薄膜表面以及腐蚀的副产物要出来就越容易MicroloadingProfileMicroLoading过腐蚀•薄膜的厚度和腐蚀速率都是不同的•过腐蚀：除去这些残留的薄膜•要被腐蚀的薄膜和下层的选择比•RIE（反应离子腐蚀）使用光学的终点来达到从主腐蚀到过腐蚀的转换开始腐蚀工艺主腐蚀的终点过腐蚀之后残留物•不希望的残留物•原因–过腐蚀不够充分–腐蚀副产物不挥发过腐蚀不充分表面上不挥发的副产物残留物•适当的过腐蚀•不挥发的残留物的清除–足够的离子轰击来清除–适当的化学腐蚀来除去•氧气等离子体去胶:有机残留物•湿法化学清洗:无机残留物湿法腐蚀湿法腐蚀•化学的解决方法来溶解硅片表面上的物质•副产物是气体，液体或可溶在腐蚀溶液中的物质•三个基本步骤：腐蚀，漂洗，甩干基本的湿法腐蚀步骤腐蚀甩干湿法腐蚀•纯粹的化学过程，各向同性的剖面•广泛使用在特征尺寸大于3um的IC产业中•仍就使用在先进的IC厂里–硅片清洗–整个薄膜的剥离湿法腐蚀的剖面•不能使用在特征尺寸小于3um的工艺上•被等离子体腐蚀所代替湿法腐蚀的应用•湿法腐蚀不能使用在CD3um的腐蚀中•高选择比•湿法腐蚀广泛用在薄膜剥离工艺中,例如SiN的剥离和Ti的剥离等.•也广泛使用在CVD薄膜质量控制中(BOE)•测试硅片的剥离，清洗，重新使用二氧化硅的湿法腐蚀•HF酸溶液•通常在缓冲溶液中稀释或者用去离子水来减小腐蚀速率SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O•广泛使用在CVD薄膜质量控制中•BOE:Bufferedoxideetch•WERR:wetetchrateratioWideGlassContact湿法腐蚀硅和多晶硅•硅腐蚀通常使用HNO3和HF的混合液•HNO3氧化硅，同时HF剥离二氧化硅•去离子水或者乙酸能用来稀释腐蚀溶液，以及减小腐蚀速率Si+2HNO3+6HF→H2SiF6+2HNO2+2H2O氮化硅的湿法腐蚀•热磷酸溶液(150to200°C)•对二氧化硅有高选择比•使用在LOCOS和STI的SiN剥离中Si3N4+4H3PO4→Si3(PO4)4+4NH3铝的湿法腐蚀•加热溶液(42to45℃)•例:80%磷酸,5%乙酸,5%硝酸,和10%水•硝酸氧化铝，同时磷酸剥离铝的氧化物•乙酸减缓硝酸的氧化影响湿法腐蚀速率的因素•温度•化学试剂的浓度•要被腐蚀薄膜的成分湿法的化学危害性•HF、H3PO3、HNO4•腐蚀性的•氧化剂湿法的化学危害性•HF•当接触时不能去触摸•剧烈疼痛•在IC生产线上要像HF酸一样对待所有不明液体湿法腐蚀的优点•高选择比•相对来说不是很贵的设备•批处理系统,高产能湿法腐蚀的缺点•各向同性的剖面•不能用在图形的特征尺寸小于3um中•高化学性的使用•化学危害性–对液体来说直接曝露–对气体（烟）直接和间接曝露–爆炸的潜在性等离子体腐蚀介绍•气体进，气体出•等离子体产生自由基团和正离子轰击•RIE(反应离子腐蚀)—化学和物理结合的腐蚀•大部分图形腐蚀是RIE腐蚀湿法腐蚀和干法腐蚀的比较等离子体基础•等离子体是带相等数量的正、负电荷的离子化气体•三中重要的碰撞:–离子化产生和维持等离子体–激发－减弱导致等离子体发光–分离创造了可反应的自由基团等离子体的组成•等离子体由中性原子或分子,负电荷(电子)和正电荷(正离子)•电离:电离率•电离率主要由等离子体中的电子能量决定•在大部分等离子体工艺腔体中,电离率小于0.001%.•高密度等离子体（HDP)电离率很高，大约是1％•在太阳核中电离率是～100％平均自由程(MFP)•一个粒子在同其它粒子碰撞前能行进的距离•n是粒子密度•σ是粒子的碰撞截面平均自由程(MFP)•气压的影响:•气压越高,MFP越短•气压越低,MFP越长真空和等离子体•气体太高,MFP会太短•电离通常需要至少15eV•如果MFP太短，那么电子就不能得到足够的能量来电离•需要真空和RF来开始和维持稳定的等离子体离子轰击•等离子体附近的任何东西都会受到离子轰击•对溅射，RIE和PECVD来说很重要•由RF功率来主要决定的•气压液影响离子轰击离子轰击•电子移动比正离子快的多•电子先到达电极和腔体•电极被充成负电的,排斥电子和吸引正离子•在表面的电荷差异形成鞘层电压•鞘层电压加速正离子朝电极方向移动，导致正离子轰击离子轰击•正离子能量•正离子密度•由RF功率共同控制离子轰击的应用•帮助得到各向异性的腐蚀剖面-Damagingmechanism-Blockingmechanism•Argon溅射-对间隙填充的电介质腐蚀-金属淀积•帮助在PECVD工艺中控制薄膜应力-轰击越重,薄膜应力越大离子轰击控制•增加RF功率,DCbias也随之增加,正离子密度也增加.•正离子密度和离子轰击能量两者都由RF功率控制.•RF功率是控制离子轰击的最重要的关键离子轰击控制•RF功率是控制腐蚀速率的主要因素–RF功率增加,腐蚀速率也增加–通常减小选择比•RF功率也用来控制PECVD工艺中的薄膜应力–增加RF功率增加压缩力自偏压•不同尺寸的电极•在等离子体中没有净电荷产生•在两个电极上的电荷流量是相同的•较小的电极有较大的电荷密度•在等离子体和较小的电极两者之间有较大的DCbias腐蚀工艺化学腐蚀•纯化学反应•副产物是气体或可溶于腐蚀物质中的•高选择比•各向同性的腐蚀剖面•例如:–湿法腐蚀–干法去胶物理腐蚀•用惰性正离子如Ar+来轰击•物理性地从表面移除物质•等离子体工艺•各向异性的剖面•低选择比•例如:–Argon溅射腐蚀反应离子腐蚀(RIE)•是化学和物理腐蚀的结合•等离子体工艺,加上自由基团的离子轰击•令人误解的名字,应该被叫做离子辅助腐蚀(IAE)•高的、受控的腐蚀速率•各向异性的、受控的腐蚀剖面•好的、可控制的选择比•在8”线上所有图形腐蚀都是RIE工艺RIE实验三种腐蚀工艺腐蚀工艺次序DamageMechanism•重离子轰击损伤化学键•被曝露的表面原子和腐蚀的自由基团比较容易反应•离子轰击主要用在垂直方向上•在垂直方向上的腐蚀速率比在水平方向上的腐蚀速率高得多→各向异性腐蚀DamageMechanismBlockingmechanism•化学物淀积在表面上•受到溅射的光刻胶和/或腐蚀化学反应后的副产物•离子轰击在垂直方向上是主要的•它阻止在底部建立的沉积作用•在侧墙上的淀积作用阻碍腐蚀过程•腐蚀过程主要在垂直方向上BlockingMechanism腐蚀机理和它们的应用对腐蚀工艺来说使用等离子体的好处•高腐蚀速率•各向异性的腐蚀剖面•光学的终点硅片的冷却•离子轰击产生巨大的热•高温能导致光刻胶起皱•需要冷却硅片来控制温度•一般使用氦背冷•氦将热量从硅片到水冷却基座传输终点•每个原子有自己的发射波长•当腐蚀不同材料时，等离子体的颜色会变化•光学传感器能用来检测这个变化，为等离子体腐蚀工艺显示终点腐蚀终点波长具体的腐蚀工艺介绍等离子体腐蚀的优点•高的,可控制的腐蚀速率•好的选择比•各向异性的腐蚀剖面•缺点:昂贵的，复杂的系统—Vacuum,RF,robot,E-chuckandetc.等离子体腐蚀•腐蚀电介质•腐蚀单晶硅•腐蚀多晶硅•腐蚀金属•摘要电介质腐蚀•腐蚀二氧化硅–掺杂和未掺杂的硅酸盐玻璃–Contact(PSGorBPSG)–Via(USG,FSGorlow-kdielectric)•腐蚀氮化硅–STI–Bondingpad电介质腐蚀•氟化学4F+SiO2→SiF4+2O•CF4作常作为氟源被使用•NF3和SF6也被使用接触孔腐蚀•是连接硅和金属条的孔•掺杂的硅酸盐玻璃,PSGforBPSG•CF4作为主要的腐蚀剂•CHF3作为聚合物的主要来源来提高对硅和硅化物的选择比•Ar用来提高damagingeffect•一些人也使用O2orH2•对硅或硅化物的高选择比是需要的接触孔腐蚀•为了硅和金属的互连而开接触孔•需要对硅和光刻胶的高选择比•氟化学接触孔腐蚀•F/C比例F/C3,腐蚀占主导地位F/C2,聚合占主导地位•当腐蚀二氧化硅,氧气的副产物能同C反应来释放更多的氟•当腐蚀硅或硅化物时,没有氧气释放,氟被消耗,F/C比降低到小于2，开始聚合物的淀积•聚合物阻碍更进一步的腐蚀•BPSG-to-TiSi2的高选择比电介质腐蚀F/C比,DCBiasandPolymerization通孔腐蚀•腐蚀USG•为了金属和金属间的互连而开通孔•需要对金属和光刻胶的高选择比•氟化学腐蚀通孔•氟作为主要腐蚀剂•CF4,CHF3和Ar都在腐蚀中使用.O2或H2也能使用•对金属的高选择比•避免金属溅射电介质腐蚀的概要单晶硅腐蚀•光刻胶可以引起衬底污染•氯/溴化学•Cl2/HBr作为主腐蚀剂单晶硅腐蚀化学•少量的O2来对侧壁钝化•少的NF3来阻止blacksilicon•定时腐蚀金属腐蚀•腐蚀Al·Cu金属叠层来形成金属互连•通常使用Cl2+BCl3•不管用物理的还是化学的方法，需要腐掉Cu•在硅片曝露到大气中的湿气前需要去胶腐蚀金属•为了金属互连•Cl2作为主腐蚀剂•BCl3,N2用来侧壁钝化•O2用来调高对二氧化硅的选择比•主要问题:腐蚀剖面和避免腐蚀残留•金属晶粒尺寸能影响腐蚀工艺金属腐蚀化学干法去胶•Remoteplasmasource－没有离子轰击的自由基团•高气压,微波等离子体•防止金属侵蚀对金属腐蚀后残留在PR中的氯去除是很重要的•提高产能和成品率干法去胶•O2,H2Ochemistry干法去胶工艺总结•腐蚀就是将光刻胶的图形转移到硅片表面材料上的过程.。•腐蚀分为湿法腐蚀和干法腐蚀。•干法腐蚀被广泛用自图形腐蚀工艺中。SIN腐蚀•腐蚀设备是LAM490，低压力，终点控制，腐蚀气体主要是SF6，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。孔腐蚀•STEP1：ISOETCH（各向同性腐蚀）•STEP2：ANISOETCH（各向异性腐蚀）孔腐蚀•需要注意的是1.要保证有一定的过腐蚀量（即孔要腐蚀干净），否则孔的接触电阻会很大，其他一些参数会测不出来。2.过腐蚀量又不能太大；所以必需要有OXIDE对SI/POLY-SI的选择比很高（一般大于10）来做保证。平坦化工艺•当器件集成度提高，器件尺寸越来越小，需要用到双层（多层）布线的时候，平坦化的工艺也随之引入生产。随着器件的形成，在圆片上的膜层见多（FOX，POLY1，PO