刻蚀培训教材
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生产线上的主要用途
• • • • • 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
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16
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主要控制参数
• 主要控制参数
3
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芯片、管芯、集成电路
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4
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集成电路制作过程
氮化硅/氧化膜 化學蝕刻
硅片投入
激 光 刻 号
硅 片 清 洗
氧化膜 多晶硅沉积 硅化钨沉积 TEOS 沉积 硼磷氧化膜 金屬膜
匀 光 刻 胶
曝 光
显 影
電漿蝕刻
离子注入
光罩投入
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• 电离 Ionization • 分裂 Dissociation • 激发 Excitation
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22
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桶式等离子刻蚀机
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23
Do Not Coቤተ መጻሕፍቲ ባይዱy
平板式等离子刻蚀机
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– 溅射材质 – 聚合物 – 生成物扩散
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40
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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 使用氟系、氯系气体
• 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… ..)
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34
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• 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 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。
Si + HNO3 + 6HF → H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O HNO3 : 氧化剂, HF : 刻蚀剂
•
•
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
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干 法 刻 蚀
• • • • • • • •
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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
19
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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：
– 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
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1
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摘
要
• 集成电路制造介绍 • 刻蚀工艺基本概念
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2
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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）
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27
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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。
• • • • • • 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
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28
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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。
•
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， 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。
8
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二、刻蚀过程与原理
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9
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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
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10
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25
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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 MERIE ECR ICP 反应离子刻蚀 磁场增强反应离子刻蚀 电子回旋共振刻蚀 感应耦合等离子体刻蚀
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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
侧壁保护刻蚀过程
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侧壁保护效果图
• HCl/O2/BCl3 Chemistry SF6/ CFCl3 Chemistry
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36
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终点侦测(End Point Detection)
– 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
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刻蚀的方向性
•各向同性
(ISOTROPIC)
•各向异性
(ANISOTROPIC)
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•
• •
3＃去胶 - SC-3（120℃）
H2SO4 + H2O2 = H2SO5 + H2O H2SO5 + PR = H2SO4 + CO2 + H2O
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湿法腐蚀槽示意图
硅片
过滤器
试剂
热交换器 内槽
外槽
M
循环泵
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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
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等离子刻蚀的的速率比较
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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
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26
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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
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.
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37
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SF6 刻蚀 放射光谱图
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38
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典型终点检测曲线图
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39
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等离子刻蚀负载效应
• 宏观效应
– 单位面积反应浓度
• 微观效应
保护层沉淀
成品产出
去胶
成品測試
硅片封装
硅片测 試
晶背研磨
金属热处理/电性能测试
CP Sort
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WAT
5
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BiCMOS剖面（双层金属连线）
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6
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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
• 各向同性刻蚀
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11
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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
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7
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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。
Company Confidential
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20
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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。
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21
30
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等离子刻蚀各种效果图
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31
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各种等离子刻蚀比较
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32
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干法刻蚀材料、气体及产物
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33
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侧壁保护的等离子刻蚀 Protective Ion Enhanced
24
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High density plasma (HDP) system
Electron Cyclotron Resonance (ECR)
ECR vs ICP ECR was introduced at OPT in 1985.
Inductively coupled plasma (ICP)
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生产线上的主要用途
• • • • • 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
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主要控制参数
• 主要控制参数
3
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芯片、管芯、集成电路
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4
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集成电路制作过程
氮化硅/氧化膜 化學蝕刻
硅片投入
激 光 刻 号
硅 片 清 洗
氧化膜 多晶硅沉积 硅化钨沉积 TEOS 沉积 硼磷氧化膜 金屬膜
匀 光 刻 胶
曝 光
显 影
電漿蝕刻
离子注入
光罩投入
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• 电离 Ionization • 分裂 Dissociation • 激发 Excitation
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桶式等离子刻蚀机
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23
Do Not Coቤተ መጻሕፍቲ ባይዱy
平板式等离子刻蚀机
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– 溅射材质 – 聚合物 – 生成物扩散
Company Confidential
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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 使用氟系、氯系气体
• 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… ..)
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• 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 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。
Si + HNO3 + 6HF → H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O HNO3 : 氧化剂, HF : 刻蚀剂
•
•
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
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干 法 刻 蚀
• • • • • • • •
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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
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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：
– 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
Company Confidential
1
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摘
要
• 集成电路制造介绍 • 刻蚀工艺基本概念
Company Confidential
2
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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）
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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。
• • • • • • 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
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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。
•
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， 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。
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二、刻蚀过程与原理
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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
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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 MERIE ECR ICP 反应离子刻蚀 磁场增强反应离子刻蚀 电子回旋共振刻蚀 感应耦合等离子体刻蚀
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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
侧壁保护刻蚀过程
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侧壁保护效果图
• HCl/O2/BCl3 Chemistry SF6/ CFCl3 Chemistry
Company Confidential
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终点侦测(End Point Detection)
– 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
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刻蚀的方向性
•各向同性
(ISOTROPIC)
•各向异性
(ANISOTROPIC)
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•
• •
3＃去胶 - SC-3（120℃）
H2SO4 + H2O2 = H2SO5 + H2O H2SO5 + PR = H2SO4 + CO2 + H2O
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湿法腐蚀槽示意图
硅片
过滤器
试剂
热交换器 内槽
外槽
M
循环泵
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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
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等离子刻蚀的的速率比较
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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
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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
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.
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SF6 刻蚀 放射光谱图
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典型终点检测曲线图
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等离子刻蚀负载效应
• 宏观效应
– 单位面积反应浓度
• 微观效应
保护层沉淀
成品产出
去胶
成品測試
硅片封装
硅片测 試
晶背研磨
金属热处理/电性能测试
CP Sort
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WAT
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BiCMOS剖面（双层金属连线）
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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
• 各向同性刻蚀
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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
Company Confidential
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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。
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20
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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。
Company Confidential
21
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Do Not Copy
等离子刻蚀各种效果图
Company Confidential
31
Do Not Copy
各种等离子刻蚀比较
Company Confidential
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Do Not Copy
干法刻蚀材料、气体及产物
Company Confidential
33
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侧壁保护的等离子刻蚀 Protective Ion Enhanced
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High density plasma (HDP) system
Electron Cyclotron Resonance (ECR)
ECR vs ICP ECR was introduced at OPT in 1985.
Inductively coupled plasma (ICP)