刻蚀培训教材

等离子刻蚀各种效果图
各种等离子刻蚀比较
干法刻蚀材料、气体及产物
侧壁保护的等离子刻蚀 Protective Ion Enhanced
• 一层保护膜在硅片上淀积，阻止反应剂到达被刻材料表面，使 反应停止
• 表面离子轰击破坏保护膜，使反应继续。 • 侧壁由于离子轰击能量小，无法破坏，因此反应停止
• 不挥发的高分子膜 • -(N2 , HBr, BCl3, CH3F… ..)
• 纯物理反应 • 各向异性 • 选择比差 • 反应压力低 • 单片工艺 • 刻蚀速率低
• 例：反溅射
3.离子增强刻蚀 Ion Enhanced Etching
• 离子轰击增加活性基团与基板材料的反应
• 损伤增加生成物的挥发 • 化学溅射 • 以化学方式增加物理溅射 • 离子反应
等离子刻蚀的的速率比较
• 宏观效应
– 单位面积反应浓度
• 微观效应
– 溅射材质 – 聚合物 – 生成物扩散
干法刻蚀的优点及缺点
•优点 Advantages:
没有光刻胶支持问题 各向同性刻蚀 化学物品消耗少 反应生成物处理成本低 自动化程度高
• 缺点 Disadvantages:
设备复杂， RF, 气体系统,真空系统, 选择比低 残渣、聚合物、重金属 产生颗粒
– 在低压下，反应气体在射频功率的激发下，产生电离并形成 等离子体，等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体 中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能 量并形成大量的活性基团（Radicals）
– 活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应并形成挥发性 的反应生成物
– 反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统抽出腔体。 各向异性刻蚀
刻蚀工艺培训教材
摘要
• 集成电路制造介绍 • 刻蚀工艺基本概念
集成电路制造介绍
• 电路、芯片、管芯 • 集成电路制作过程 • 局部管芯剖面（BiCMOS工艺）
芯片、管芯、集成电路
硅片投入
成品产出
成品測試
集成电路制作过程
激
硅
光
片
刻
清
号
洗
氮化硅/氧化膜 氧化膜 多晶硅沉积 硅化钨沉积 TEOS 沉积 硼磷氧化膜 金屬膜 保护层沉淀
湿法刻蚀原理
• 通过合适的化学溶液与所欲蚀刻的材质进行 化学反应，然后转成可溶于此溶液的化合物
，而达到去除的目的。
• 湿法蚀刻的进行主要是凭借溶液与欲刻蚀材 质之间的化学反应，因此，我们可以籍由化 学溶液的选取与调配，得到适当的蚀刻速率 ，以及欲蚀刻材质对下层材质的良好蚀刻选 择比。
• 各向同性刻蚀
所用机台：TEGAL-415、TEGAL-915
四、刻蚀工艺评价项目、方法与标准
• 刻蚀速率 ETCH RATE －－单位时间内刻蚀掉的厚度
• 均匀性 UNIFORMITY －－硅片内或硅片间速率偏差程度
• CD损失 CD LOSS －－刻蚀前后线条的变化量
• 选择比 SELECTIVITY －－不同材质之间的刻蚀速率比
湿法腐蚀（WET ETCHING)
• 二氧化硅腐蚀 -Silicon Oxide Etch
• SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O • HF : 刻蚀剂, NH4F : 缓冲剂
• 多晶硅腐蚀 -Poly-Si Etch
• Si + HNO3 + 6HF → H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O • HNO3 : 氧化剂, HF : 刻蚀剂
1.化学刻蚀 Chemical
• 气体被离子化，形成等离子体。 • 等离子体中的活性基团与基板物质反应，生成挥发性
物质被抽走。
• 各向同性 • 纯化学反应 • 选择比高 • 反应压力高 • 通量大 • 低电子损伤 • 例：等离子去胶
2.物理刻蚀 Sputtering
• 离子在电场作用下通过离子轰击，撞出衬底原子。
一、刻蚀的目的及作用
• 刻蚀是用物理或化学的方法有选择地从硅片表面去除 不需要的材料的过程；一般分为两种：湿法刻蚀、干 法刻蚀。
• 刻蚀的基本作用是准确地复制掩膜图形，以保证生产
线中各种工艺正常进行。
二、刻蚀过程与原理
湿法腐蚀
（WET ETCHING)
• 湿法腐蚀原理 • 常见设备工作图 • 主要试剂及用途 • 优点及缺点 • 生产线应用 • 工艺主要控制参数
•各向异性
(ANISOTROPIC)
刻蚀的方向性
干法刻蚀
• 干法刻蚀原理 • 什么是等离子体 • 常见刻蚀设备 • 干法刻蚀基本方法 • 侧壁保护刻蚀 • 终点控制（End Point Detection） • 优点及缺点 • 生产线应用
干法刻蚀（DRY ETCHING）
等离子干法刻蚀的原理可以概括为以下几个步骤：
1、氧化层腐蚀：如BL-ET、DI-ET、EI-ET、CW-ET、CO-ET等； 所用机台：湿法腐蚀台（7：1 BOE）
2、氮化硅去除：FN-WO 所用机台：磷酸槽（160℃）
3、湿法铝腐蚀：LA-ET 所用机台：铝腐蚀台
4、后处理：后处理1（硝酸）、后处理2（混酸4F）、 后处理3（显影液）
所用机台：酸槽
• 过刻蚀 OVER ETCH －－刻蚀干净后额外的刻蚀量
• 剖面 PROFILE
－－刻蚀后台阶的形貌
• 颗粒 PARTICLE
• 损伤 PLASMA DAMAGE（干法刻蚀）
• 聚合物 POLYMER（干法刻蚀）
• 残留物 RESIDUE（干法刻蚀）
刻蚀速率：
1、稳定性：反映工艺的可重复能力，要求波动范围在±10% 以内。可以通过计算CPK大小来进行评价； 2、大小：大小直接决定机台通量，因此在稳定性及机台与产 品承受能力满足要求的情况下，应尽量提高刻蚀速率。
匀曝 显 光 刻光影 胶
光罩投入
化學蝕刻 電漿蝕刻 离子注入
去胶
硅片封装
硅片测 試
CP Sort
晶背研磨
金属热处理/电性能测试
WAT
BiCMOS剖面（双层金属连线）
刻蚀工艺基本概念
• 一、刻蚀的目的及作用 • 二、刻蚀基本原理原理与过程 • 三、刻蚀工艺的发展及我公司刻蚀当前状况 • 四、刻蚀工艺评价项目、方法及标准 • 五、刻蚀工艺控制方法 • 六、刻蚀工艺选择需考虑的因素 • 七、刻蚀工艺常见问题
等离子刻蚀的基本方法
• 1.化学刻蚀 Chemical Etching • 2.物理刻蚀 Sputtering Etching • 3.离子增强刻蚀 Ion Enhanced Etching
• RIE 反应离子刻蚀 • MERIE 磁场增强反应离子刻蚀 • ECR 电子回旋共振刻蚀 • ICP 感应耦合等离子体刻蚀
侧壁保护刻蚀过程
侧壁保护效果图
• HCl/O2/BCl3 Chemistry SF6/ CFCl3 Chemistry
终点侦测(End Point Detection)
•
干法刻蚀不像湿法刻蚀，有很高的选择比，过度的刻蚀会损伤下一层材
料，因此，蚀刻时间就必须正确无误的掌握；另外，机台状态的些微变化，
湿法刻蚀的优点及缺点
• 优势 Advantage • -设备简单 • -可靠性 • -低成本 • -大通量 • -高选择比
• 缺点 Disadvantage • -各向同性刻蚀 • -CD难控制 • -刻蚀度（过刻）不易控制 • -不能应用于小尺寸 • -操作困难及危险 • -环境污染
生产线上的主要用途
• 金属刻蚀 （Al,W,Ti,TiN,Pt,…） • -工艺: WL, BL, Cap, MLM: Al, W, Pt, Ru, Ta, etc • -使用气体 : Cl2, BCl3, CCl4, etc
• 介质刻蚀（SiO2, Si3N4,PSG,BPSG,SiON… ） • -工艺: ISO, Contact (Poly C/T, Metal C/T, Via), Spacer ，
湿法腐蚀槽示意图
硅片
试剂 内槽
过滤器 热交换器
外槽
M
循环泵
主要的化学试剂
– BOE、BHF（HF/H2O) – 氟化氨腐蚀液 （NH4F/HF/H2O) – 混酸4F（HNO3/ NH4F/HF/H2O） – 铝腐蚀液（HNO3/H3PO4/CH3COOH) – 热磷酸（H3PO4) – KOH
平板式等离子刻蚀机
High density plasma (HDP) system
Electron Cyclotron Inductively coupled
Resonance (ECR)
plasma (ICP)
ECR vs ICP
ECR was introduced at OPT in 1985.
• 大尺寸图形腐蚀，例埋层（BL） • 氧化层漂净,例外延前氧化层漂净 • SiN剥离 • 引线孔、通孔斜面腐蚀 • 压点腐蚀
主要控制参数
• 主要控制参数
– 腐蚀速率
• 溶液温度（热交换器、循环装置） • 溶液浓度（添加试剂、加工片量、放置时间）
– 腐蚀时间
• 人工计算 • 终点控制
•各向同性
(ISOTROPIC)
Planar Etch Back, Pad & Repair • - 使用气体 : fluoro-compounds(CF4, CHF4, C4F8,….etc)
三、刻蚀工艺的发展及我公司当前刻蚀状况
我公司当前用到的刻蚀方法主要是湿法腐蚀与等离子刻蚀，适用于 线宽1.5um以上产品。 其中湿法腐蚀应用工序有：
使用氟系、氯系气体
干法刻蚀在生产线上主要应用
• 光刻胶剥离 （干法去胶）Organic stripping • 硅刻蚀 Silicon etching • 介质层刻蚀Dielectric etching (SiO2, Si3N4,
etc.) • 金属刻蚀 Metal etching
干法刻蚀应用
• 硅刻蚀 （单晶硅、多晶硅） • -工艺 : ISO, WL, BL, Capacitor (SN, CP), Poly E/B… etc • -使用气体 : Cl2, HBr, NF3, CF4, SF6, 等
如气体流量、温度、或晶片上材料一批与一批间的差异，都会影响刻蚀时间
的控制，因此，必须时常检测刻蚀速率的变化；使用终点侦测器的方法。可
以计算出刻蚀结束的正确时间，进而准确地控制过度刻蚀的时间，以确保多
次刻蚀的再现性。
• 常见的终点侦测有三种方法：
•
1. 光学放射频谱分析(Optical Emission CO-483.5nm
什么是等离子体
等离子体是低压气体(一般 < 1 torr)在外 界电场(DC, AC, RF, µwave)作用下，局部 气体发生电离而产生的；它由正离子，电 子，中性原子，中性分子组成。
Βιβλιοθήκη Baidu
• 电离 Ionization • 分裂 Dissociation • 激发 Excitation
桶式等离子刻蚀机
•
AL-396nm)
•
2. 雷射干涉量度分析(Laser )
•
3. 质谱分析(Mass Detection)
• Laser 利用雷射光垂直射入透明的簿膜，在透明簿膜前被反射的 光线与穿透簿膜后被下层材料反射的光线相干涉时，来侦测终点。
SF6 刻蚀 放射光谱图
典型终点检测曲线图
等离子刻蚀负载效应
ICP was introduced much later (1991- 1995) for plasma processing.
most important with both: independent control of ion energy and ion current density
lower (substrate) electrode grounded, RF driving opt.
• 金属铝腐蚀 -Al Etch
• HNO3 : 氧化剂, H3PO4 :刻蚀剂, CH3COOH : 缓冲剂
• 氮化硅腐蚀 -Silicon Nitiride Etch
• Hot (>150℃) H3PO4 :刻蚀剂
• 3＃去胶 - SC-3（120℃）
• H2SO4 + H2O2 = H2SO5 + H2O • H2SO5 + PR = H2SO4 + CO2 + H2O
等离子刻蚀应用工序主要有：
1、氧化层刻蚀：DI-ET、CO-ET、VA-ET、PA-ET等 ；
所用机台：AME-8110、LAM-590、TEGAL-903 2、氮化硅刻蚀：AA-ET、CA-ET等；
所用机台： LAM-490、TEGAL-901 3、铝刻蚀：LA-ET、LB-ET。
所用机台： AME-8330 4、干法去胶：