半导体工艺基础 第五章 刻蚀

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。
举例


Etch rate for PE-TEOS PSG film is 6000 Å/min, etch rate for silicon is 30 Å/min, PSG to silicon
刻蚀剖面
刻蚀剖面
湿法刻蚀

Wet Etch 湿法刻蚀
Wet Etch

Chemical solution to dissolve the materials on the wafer surface
(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：CF4>CCl3F>CCl2F2>CHCl2F CF4+（5~12%）O2刻蚀气体: Si/SiO2刻蚀速 率比为10：1 CF4+H2刻蚀气体：SiO2/Si刻蚀速率比10


2、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。

H2SO4 reacts with TiO2 and removes it
simultaneously

H2O2 oxidizes silicon and silicide to form SiO2
H2SO4 doesn’t react with SiO2
影响湿法刻蚀的因素 Factors that Affect Wet Etch Rate
Wet Etching Silicon or Poly


Silicon etch normally use mixture of nitric acid (HNO3) and hydrofluoric acid (HF) HNO3 oxidizes the silicon and HF removes the oxide at the same time. DI water or acetic acid can be used to dilute the etchant, and reduces the etch rate.
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。

（三）、等离子腐蚀性能
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；
Ion Implantation
Rapid Thermal Annealing
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) is thickness change and t is etch time (min) PE-TEOS PSG film, 1 minute in 6:1 BOE at 22 °C, Before etch, t = 1.7 mm, After wet etch, t = 1.1 mm
第五章 Etch 刻 蚀
西南科技大学理学院 2013.03.15
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
Definition of Etch





Process that removes material from surface Chemical, physical or combination of the two Selective or blanket etch Selective etch transfers IC design image on the photoresist to the surface layer on wafer Other applications: Mask making, Printed electronic board, Artwork, etc.

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
The byproducts are gases, liquids or materials that are
soluble in the etchant solution.

Three basic steps, etch, rinse and dry
2、RIE 刻蚀装置
工作原理（以射频型为例）：
接地电（阳极）
等离子体区（亮区）
电位降区（暗区）
C
射频发生器
Vb Va
浮空电极（阴极）
Va
t
Vb
直流偏压
t
i
t
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。
一、 等离子体刻蚀
（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。
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
CF4 CF3 * F * CF2 * 2 F * CF * 3F * C * 4F *
激发态氟基 F* 和上述材料分别反应如 下：
Si 4 F * SiF4
反应后生成的 SiF4 有很高的挥发性，随即 被抽走。
Wet Etching Aluminum

Heated (42 to 45°C) solution One example: 80% phosphoric acid, 5% acetic
acid, 5% nitric acid, and 10 % water

Nitric acid oxidizes aluminum and phosphoric acid
Advantages of Wet Etch


高选择性High selectivity 相对便宜的设备Relatively inexpensive equipment 完整的设备，大批量生产Batch system, high throughput
Disadvantages of Wet Etch
二、 反应离子刻蚀（RIE）
（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。
湿法刻蚀剖面 Wet Etch Profiles
Can’t be used for feature size is smaller than 3 mm
Replaced by plasma etch for all patterned etch
湿法刻蚀硅的氧化物 Silicon Dioxide

Wet Etch



纯粹的化学过程，且各向同性 Pure chemical process, isotropic profile 广泛的应用IC工业生产中，当特征尺寸小于3微米 Was widely used in IC industry when feature size was larger than 3 micron Still used in advanced IC fabs – 硅片的清洗Wafer clean – 表面薄膜的清除 Blanket film strip – 测试硅圆薄膜和清清洗Test wafer film strip and clean




各向同性（横向）刻蚀 Isotropic Profile 不能得到3mm以下的特征尺寸Can’t pattern sub-3mm feature 过高的化学药品使用量High chemical usage 有危险的化学药品Chemical hazards
干法刻蚀

Plasma Etch 等离子体刻蚀 反应离子刻蚀（RIE） 离子束腐蚀
1h2o2oxidizestitaniumformtio2h2so4reactso2oxidizessiliconformsio2so4doesntreactsio2影响湿法刻蚀的因素factorsaffectwetetchrate温度temperature化学试剂的浓度chemicalconcentrationetched湿法刻蚀的危险氧化剂oxidizeradvantageswetetch高选择性highselectivity相对便宜的设备relativelyinexpensiveequipment完整的设备大批量生产batchsystemhighthroughputdisadvantageswetetch各向同性横向刻蚀isotropicprofile不能得到3mm以下的特征尺寸cantpatternsub3mmfeature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等离子体刻蚀离子束腐蚀一等离子体腐蚀原理低压131300pa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
Isolation Formation
Wet Etching Silicon Nitride


Hot (150 to 200 °C) phosphoric acid H3PO4 Solution 在180 °C 对硅的氧化物具有高度的选择性High selectivity to silicon oxide 用于硅的局部氧化或氮化物的清除 Used for LOCOS and STI nitride strip

运用HF 溶液 Hydrofluoric Acid (HF) Solution HF 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 + 6HF H2SiF6 + 2H2O Widely used for CVD film quality control BOE: Buffered oxide etch（氧化层缓释刻 蚀） WERR: wet etch rate ratio（湿法刻蚀速 率）
removes aluminum oxide at the same time.

Acetic acid slows down the oxidation of the nitric
acid
乙酸降低硝酸氧化的速度.
Wet Etching Titanium

H2O2 :H2SO4 =1:1 H2O2 oxidizes titanium to form TiO2


温度 Temperature 化学试剂的浓度 Chemical concentration 被刻蚀的薄膜成份 Composition of film to be etched
湿法刻蚀的危险



HF H3PO3 HNO4 H2SO4 腐蚀剂Corrosive 氧化剂Oxidizer
栅掩膜对准 Gate Mask Alignment
栅掩膜曝光 Gate Mask Exposure
Development/Hard Bake/Inspection
Etch Polysilicon刻蚀多晶硅
Etch Polysilicon 继续
Strip Photoresist 剥去光刻胶
刻蚀均匀性

圆片上和圆片间的重复性 Standard Deviation Non-uniformity标准偏差不均匀性 N points measurements

Max-Min Uniformity 最大最小均匀性
刻蚀选择比


Selectivity is the ratio of etch rates of different materials. Selectivity to underneath layer and to photoresist