干法和湿法腐蚀讲稿

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
• 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: micro loading
• 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
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
• 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
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: Buffered oxide etch • WERR: wet etch rate ratio
Wide Glass Contact
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
• 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
Blocking Mechanism
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
接触孔腐蚀
• • • • 是连接硅和金属条的孔 掺杂的硅酸盐玻璃, PSG for BPSG 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damaging effect • 一些人也使用O2 or H2 • 对硅或硅化物的高选择比是需要的
接触孔腐蚀
• 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
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black silicon • 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
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DC bias
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
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(150 to 200 °C) • 对二氧化硅有高选择比 • 使用在LOCOS和STI的SiN剥离中 Si3N4 + 4 H3PO4→ Si3(PO4)4 + 4NH3
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
• 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/C > 3, 腐蚀占主导地位 F/C < 2, 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
铝的湿法腐蚀
• • • • 加热溶液 (42 to 45℃) 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
Micro loading
Profile Micro Loading
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
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 -Damaging mechanism -Blocking mechanism • 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
电介质腐蚀
F/C比, DC Bias and Polymerization
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
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
Etch Profiles
Etch Profiles
负载效应: macro loading
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
• 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15 eV • 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
电介质腐蚀
• 腐蚀二氧化硅 – 掺杂和未掺杂的硅酸盐玻璃 – Contact (PSG or BPSG) – Via (USG, FSG or low-k dielectric) • 腐蚀氮化硅 – STI – Bonding pad
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
RIE实验
三种腐蚀工艺
腐蚀工艺次序
Damage Mechanism
• 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
Damage Mechanism
Blocking mechanism
基本的湿法腐蚀步骤
甩干 腐蚀
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CD<3um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
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
离子轰击控制
• 增加RF功率, DC bias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-chuck and etc.
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
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)