IC工艺原理 制造第7章

Physical Etching
Sputtered surface material Reactive +ions bombard surface
Chemical Etching
Desorption of by-products Surface reactions of radicals + surface film
装置：
RF
Matching network
RF generator
Gas dispersion screen Gas- flow controller
Microcontroller Operator Interface
Endpoint signal
Wafer
Pressure controller
• 问题：
– 常见的刻蚀对象：SiO2、Si3N4、Poly-Si、磷 硅玻璃、铝或铝合金、衬底材料等 – 即：金属刻蚀、介质刻蚀、硅（半导体）刻 蚀
Photoresist mask
Film to be etched
Photoresist mask
Protected film
(a) Photoresist-patterned substrate
Anisotropic etch
Substrate Cathode
Isotropic etch
– – – –
氧的作用：加快 氢的作用：减慢 高分子生成：刻蚀速度、选择性 反应气体：CF4、CHF3、CF6
See Table 11.3
InGaAs刻蚀仿真
刻蚀前结构
PIN结构。10um厚的本征InP衬底，在衬底上生长3um厚的掺杂Si浓 度为2×1018的InP层（N＋），然后再淀积3um厚的Si掺杂4×1016的 n－,InGaAs，InGaAs中In的组分为0.53。上层淀积1um厚的InP，掺 杂为2×1018（P＋）。刻蚀阻挡层采用Si3N4，厚度1um。
– 8.1.1 腐蚀液： – SiO2： HF:NH4F:H2O=3毫升：6克：10毫升 （36°C） – Al： H2PO4、70~80 °C、乙醇稀释 – Si3N4：H2PO4、 H2PO4：HNO3=3：1 （ SiO2膜） HF （Cr膜） – 其它 定向腐蚀(P265~263)
– 7.1.2 刻蚀中的质量问题： – 图形畸变：曝光时间、显影时间、刻蚀速度 – 浮胶：粘附、前烘时间、曝光时间、 显影时间、刻蚀速度、腐蚀液 – 毛刺和钻蚀：清洁、显影时间、腐蚀液 – 针孔：膜厚不足、曝光不足、清洁、掩膜版 – 小岛：曝光、清洁、湿法显影、掩膜版
[PRESSURE=<n>] ＃定义等离子体刻蚀机 反应腔的压强 [TGAS=<n>] ＃定义等离子体刻蚀机反应 腔中气体的温度 [TION=<n>] ＃定义等离子体刻蚀机反应 腔中离子的温度 [VPDC=<n>] ＃等离子体外壳的DC偏压 [VPAC=<n>] ＃等离子外壳和电珠之间的 AC电压 [LSHDC=<n>] ＃外壳的平均厚度 [LSHAC=<n>] ＃外壳厚度的AC组成 [FREQ=<n>] ＃AC电流的频率 [NPARTICLES=<n>] ＃用蒙托卡诺计算来 自等离子体的离子流的颗粒数 [MGAS=<n>] ＃气体原子的原子质量 [MION=<n>] ＃等离子体离子的原子量 [(CHILD.LANGM|COLLISION|LINEAR|CO NSTANT)]＃计算等离子体外壳的电压降的 模型，默认为CONSTANT [MAX.IONFLUX=<n>] [IONFLUX.THR=<n>] [K.I=<n>] ＃定义等离子体刻蚀速率的线性 系数 [K.F] #定义化学流相关的等离子刻蚀速率 [K.D] #定义淀积流量相关的等离子体刻蚀 速率
等离子体刻蚀中可以改变的参数及默认值
Rate.Etch Machine=PEMach \ Plasma \ Pressure = 3.75 Tgas = 300.0 Tion = 3000.0 Vpdc = 32.5 Vpac = 32.5 \ Lshdc = 0.005 Lshac = 0.0 \ Freq = 13.56 Nparticles = 4000 \ Mgas = 40.0 Mion = 40.0 \ Constant \ Energy.Div = 50 \ Qio = 1.7e-19 Qcht = 2.1e-19
扫描单色光谱仪
• 残余气体分析（RGA）/质谱分析
• 射频和偏置电压也可以终点检测信号
检测
Randomly select 3 to 5 wafers in a lot Measure etch rate at 5 to 9 locations on each wafer, then calculate etch uniformity for each wafer and compare wafer-to-wafer.
# Define the plasma etch parameters for InGaAs Rate.Etch Machine=PEMach \ Plasma \ Material=InGaAs \ k.i = 1.1 k.f= k.d=
等离子体腔及刻蚀 气体的物理特性
刻蚀气体的化学特性
各参数的意义：
Pressure signal
Gas panel
Electrodes
Exhaust
Roots pump
Roughing pump
Process gases
– F基刻蚀原理：（SiO2为例）
• CFLeabharlann Baidu • SiO2+4F • SiO2+2CF2 Cl基…
等离子激发
2F+CF2 （游离基） SiF4+2O SiF4+2CO
RF generator
Anode
1) Etchant gases enter chamber Gas delivery Electric field Etch process chamber
l
2) Dissociation of reactants by electric fields
By-products 8) By-product removal Exhaust
Anisotropic etch
Isotropic etch
Chemical Versus Physical Dry Plasma Etching
Etch Parameter Physical Etch Physical Etch (RF field (RF field perpendicular Chemical Etch parallel to to wafer wafer surface) surface) Physical ion sputtering Etch Mechanism Radicals in plasma reacting with wafer surface* Isotropic Fair/good (5:1 to 100:1) Moderate Poor Radicals in liquid reacting with wafer surface Isotropic Good/excellent (up to 500:1) Low Poor to nonexistent Combined Physical and Chemical In dry etch, etching includes ion sputtering and radicals reacting with wafer surface Isotropic to Anisotropic Fair/good (5:1 to 100:1) Moderate Good/excellent
– 工艺控制
• • • • RF功率测量与控制 真空测量与控制 等离子场测量与控制 温度测量与控制
工艺条件 对结果的 影响
侧壁钝化提高各向异性
Plasma ions
Resist Oxide
Silicon
Polymer formation
– 刻蚀终点—诊断和控制技术（简述）
• 终点监视仪—等离子体发射光谱（0ES）
– 湿法腐蚀工艺的特点：速度快，成本底，精 度不高。
• 7.2. 干法腐蚀：即，等离子刻蚀
• Section 11.3 （重点阅读）
– – – – – –
7.2.1. 原理和特点： 是一种物理-化学刻蚀； 是一种选择性很强的刻蚀 在低压中进行，污染小 与去胶工艺同时进行 表面损伤
置入等离子场中的分子因等离子能量的激励生成了性的 游离基分子、原子，以这些活性游离基分子、原子引起 的化学反应，形成挥发性产物，而使被蚀物剥离去掉。 活性游离基分子、原子不受电场影响，因而各向同性。
Sidewall Profile Selectivity Etch Rate CD Control
Anisotropic Poor/difficult to increase (1:1) High Fair/good
* Used primarily for stripping and etchback operations.
第7章：图形刻蚀技术 (Chapter 11)
Wafer fabrication (front-end)
Wafer start Thin Films Polish
Unpatterned wafer Completed wafer Diffusion Photo Etch
Test/Sort
Implant
(b) Substrate after etch
Type of Etch Wet Etch
Sidewall Profile Isotropic Isotropic (depending on equipment & parameters) Anisotropic (depending on equipment & parameters) Anisotropic – Taper Silicon Trench
Nitride
选择比：S
Ef=被刻蚀材料的刻蚀速率
Er=掩蔽层材料的刻蚀速率
• 对刻蚀的基本要求：
– – – – – – – 图形的高保真：横向腐蚀和各向异性腐蚀 刻蚀剖面： 选择比：光刻胶和不同材料的腐蚀速度 关键尺寸（CD）控制 均匀性：小线条和大硅片 清洁：残渣沾污 损伤：
• 7.1.湿法腐蚀：即，化学腐蚀(S11.1)
改变刻蚀腔压强
刻蚀腔压强越大，刻蚀速率变小、刻蚀效果也变差。 这从离子的能量－角度分布中也可以得出结论
改变气体温度
刻蚀腔中气体的温度高时刻蚀剖面要好，但影响较小
改变离子温度
离子温度低时刻蚀效果要好，但刻蚀速率几乎不变
改变ac偏压
AC偏压变化时，刻蚀体现不出差别
改变dc偏压
DC偏压大时刻蚀效果要好，刻蚀速率几乎不变
改变等离子体刻蚀速率的线性部分
等离子体刻蚀速率的线性系数与刻蚀速率成线性
改变刻蚀腔压强时的刻蚀剖面
改变刻蚀腔压强对离子的能量－角度分布的影响
压强较小时，离子的方向性要好
各向异性刻蚀
Section 11.3 （重点阅读） – 反应离子刻蚀（RIE）
Reactive Ion Etch与前面的等离子刻蚀相比， 等离子体的激励增大，反应气体发生了电子 从原子脱离出去的正离子化，成为离子和游 离基分子、原子混在一起的状态。先是游离 基分子、原子被吸附在待蚀物上产生反应产 物，离子在电场中加速并向基片垂直轰击， 加快反应产物的脱离，且在待蚀物上形成损 伤—吸附活性点，加快底部刻蚀速率，实现 各向异性刻蚀。
Diagram
Dry Etch
Etch Bias、 Undercut 、 Slope and Overetch
Wb Wa Resist Film Substrate (a) Undercut Resist Overetch Film Substrate
Bias
Er S=
Ef
Er
Ef Oxide
3) Recombination of electrons with atoms creates plasma
l
4) Reactive +ions bombard surface
5) Adsorption of reactive ions on surface 6) Surface reactions of radicals and surface film 7) Desorption of by-products