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干法腐蚀工艺

干法腐蚀工艺培训讲义

第零章前言

第一章基本概念

第二章干法腐蚀基本原理

第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺

第四章在线干法腐蚀设备结构/原理简介

第五章干法腐蚀工艺中的终点检测

第六章干法去胶

第七章在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法

第零章前言

在集成电路制造工艺中，晶片经过曝光、显影后，在光刻胶上显示出集成电路图形，而刻蚀即利用显影后的光刻胶图形作掩蔽，在SIO2、SI3N4、金属膜、多晶硅等上刻蚀出与光刻胶图形相同的集成电路图形来。

随着集成电路的集成度不断提高，加工线宽越来越小，人们在追求“微细化”的过程中，进行了大量的研究工作，其中之一是曝光技术，其中之二是刻蚀技术。

光刻胶上的图形能作多精细，是由曝光技术所决定的，而光刻胶下的图形能作多精细，则是由刻蚀技术所决定的。

如果没有超精细曝光技术，当然谈不上刻出精细图形；同样，有了超精细的曝光技术，如果没有超精细的刻蚀技术与之匹配，精细加工同样不能实现，因此说，刻蚀技术也是微细加工技术最核心的工艺之一。

1.随着大规模集成电路的发展，对刻蚀精度要求越来越高。

对与刻蚀精度可用保真度、选择比、均匀性来衡量。

1.1保真度，就是要求把光刻胶的图形准确地转移到其下的薄膜上，而没有失真，也就是，希望只有纵向刻蚀而没有横向刻蚀。

但实际上总有横向刻蚀，横向刻蚀量的大小，可用刻蚀因子来描述。

刻蚀因子定义为：

刻蚀深度V与横向刻蚀量X之比，即刻蚀因子

F=

图1.1刻蚀因子

刻蚀因子F越大，保真度越好。

1.2选择比，就是要求刻蚀剂只刻蚀所要刻蚀的膜，而对其下的衬底，及其上的抗蚀剂无刻蚀。

实际上，在刻蚀薄膜的同时，对衬底和抗蚀剂也会有刻蚀的，只是刻蚀速率不同。

选择比就是用来描写刻蚀速率之比。

设对所要刻蚀的薄膜刻蚀速率为V，对衬底刻蚀速率为U，则选择比

S=，S越大，说明选择比越好。

1.3刻蚀均匀性。

现在超大规模集成电路采用的大圆片一般在4~8英寸，如果在硅大圆片上生长的薄膜厚度不均匀和各个部分刻蚀速率不均匀，都会导致刻蚀图形转移不均匀，造成有的地方刻蚀未净，另一些地方却刻蚀过度。

因此，要获得高质量的刻蚀，控制刻蚀的均匀性，也是十分重要的。

刻蚀方法从宏观上可分为：

湿法刻蚀和干法刻蚀两大类；各有其优缺点

1．湿法刻蚀技术（略）采用化学试剂进行刻蚀工艺。

优点：

设备简单，刻蚀损伤小。

缺点：

刻蚀精度差，是各向同性刻蚀，在刻蚀过程中，不但向纵向刻蚀，而且还向侧向刻蚀，刻蚀因子一般在0.5~2.0之间。

湿法刻蚀线宽一般在3um以上，在超大规模集成电路制造工艺中，已难以适应，代之出现的是干法刻蚀技术。

2．干法刻蚀技术

干法刻蚀是指不采用化学溶剂腐蚀，而是采用气相刻蚀剂与被刻蚀的样品表面接触，而实现的刻蚀技术。

优点：

刻蚀精度高，是各向异性刻蚀，可以同时刻蚀多层膜，可以实现自动化操作，自动终点控制腐蚀精确，避免使用化学试剂等。

缺点：

选择比差，设备昂贵，对光刻胶的要求较高。

第一章基本概念

1．WHATISETCHED？

Aprocessforremovingmaterialinaspecifiedareathroughchemicalreactionand/orphysicalbombardment.

2.WHATWEETCHED?

1）Dielectric（oxide,nitride,etc.）

2）Silicide（polysiliconandsilicide）

3）Silicon（singlecrystalsilicon）

4）Metal（

3.WHATISETCHRATE?

腐蚀速率是指所定义的膜被去除的速率，单位通常用UM/MIN，A/MIN来表示。

4.E/Runiformity

表示一个圆片中不同点腐蚀速率的差别（withinawafer）或两个以上圆片片与片之间的腐蚀速率差异（wafertowafer。

）

如：

假定一个圆片片内测试了5个点，那就有5个速率值

UNIFORMITY=（MAXETCHRATE—MINETCHRATE）/2/（AVERAGEETCHRATE）*100%

5.selectivity

是指两种不同膜的腐蚀速率比。

选择比反应腐蚀过程中主要被腐蚀膜对另一种膜的影响（光刻胶，衬底等）

6.ISOTROPY---各向同性

腐蚀速率在纵向和横向上相同。

7．ANISOTROPY---各向异性

腐蚀速率在纵向和横向上不一样。

8．CD---（CRITICALDIMENSIONS）关键尺寸

CDLOSS---条宽损失

9．LOADING---负载效应

MICROLOADING（微负载效应）---不同的孔尺寸或纵深比例对腐蚀速率和选择比的影响。

MACROLOADING（宏负载效应）--不同的暴露面积影响腐蚀速率差异。

10．PROFILE---剖面形貌

11．STEPCOVERAGE----台阶覆盖率

WINDOW/VIA内最薄处的AL厚与正常AL厚的比例。

第二章干法腐蚀基本原理

干法腐蚀又称等离子腐蚀。

根据设备腔体结构的不同，可分为：

①圆筒型等离子腐蚀②平行板等离子腐蚀③平行板反应离子腐蚀④反应离子束腐蚀⑤离子束铣腐蚀等。

本文主要介绍等离子腐蚀和反应离子腐蚀的基本原理。

一、等离子体腐蚀

等离子腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀

材料发生化学反应的一种选择性腐蚀方法。

气体中总存在微量的自由电子，在外电场的作用下，电子加速运动。

当电子获得足够的能量后与气体分子发生碰撞，使气体分子电离发出二次电子，二次电子进一步与气体分子发生碰撞电离，产生更多的电子和离子。

当电离与复合过程达到平衡时，出现稳定的辉光放电现象，形成稳定的等离子体（PLASMA）。

等离子体中包括有电子、离子、还有处于激发态的分子，原子及各种原子团（统称游离基）。

游离基具有高度的化学活性，正是游离基与被腐蚀材料的表面发生化学反应，形成挥发性的产物，使材料不断被腐蚀。

等离子腐蚀设备可以分为筒式和平板式两种。

二、反应离子腐蚀

三、平板反应离子腐蚀与平板等离子腐蚀的区别

1．平板等离子腐蚀设备上下极板基本对称、面积相近，等

离子边界与接地下平板间的电压降通常较小（近百伏），腐蚀主要是化学反应过程，腐蚀选择性好。

RF加在上极板。

2．反应离子腐蚀装置中两个极板的面积不等；硅片放在

射频电源电极阴极上；反应压力更低。

平行平板等离子腐蚀装置的压力为13~133Pa；反应离子腐蚀的压力为0.13~13Pa，因此，到达阴极的正离子具有更大的能量与更强的指向阴极的方向性，因而能获得各向异性腐蚀。

干法腐蚀工艺过程中包含6STEPS：

STEP1：

气体进入腔体，在高频电场的作用下，电子/分子碰撞产生反应基团。

STEP2：

反应基扩散到被腐蚀膜的表面。

STEP3：

反应基被吸附在表面。

STEP4：

发生化学反应。

STEP5：

反应生成物解吸附发生。

STEP6：

反应生成物扩散到反应残余气体中一起被PUMP抽走。

第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺

1．POLY-SI，SI3N4，SIO2的等离子腐蚀

通常使用含F的腐蚀性气体，如CF4

CF4CF3+F*

CF3CF2+F*

CF2CF+F*

Si+4F*SiF4

SiO2+4F*SiF4+O2

Si3N4+12F*3SiF4+2N2

CFx（x≤3）与SiO2，SiN4的反应速率比与Si的反应速率快。

在CF4中加入少量H2可以使CFx：

F*的浓度比增加，从而使SiO2：

Si及Si3N4：

Si的腐蚀速率比增大。

在CF4中加入少量O2可增加Si，SiO2，Si3N4的腐蚀速率，原因是氧可以抑制F游离基在反应腔壁的损失，还有CF4+O2F*+O*+COF*+COF2+CO+…，上式中的COF*寿命较长，当它运动到样品表面时发生下述反应：

COF*F*+CO4F*+SiSiF4

2.AL的等离子腐蚀

因为ALF3是一种低挥发性物质，因而不能采用CF4作为腐蚀剂，通常用氯化物（SiCL4，BCL3）。

通常AL表面总有一层约3NM的自然氧化层AL2O3，它阻碍了铝的腐蚀，使铝的腐蚀过程变的复杂。

在腐蚀铝之前，必须首先去除自然氧化层。

AL腐蚀反应腔必须设计的能防止水气的侵入，因为腐蚀产物ALCL3具有准挥发性和吸水性，挥发不良的ALCL3可沉积在反应腔壁上，当腔壁暴露在大气中时，ALCL3就吸收大量的水分，再次进行腐蚀时，吸收的水分就挥发并影响腐蚀过程。

在腐蚀AL的工艺中最常遇到的就是AL的后腐蚀问题。

其原因是在光刻胶中残留有含CL的反应产物，如与空气中的湿气就形成HCL，使AL继续被腐蚀。

所以一般在腐蚀后立即通入含碳氟化物，以置换CL离子。

对于AL腐蚀以后的去胶工艺时间间隔要求也很严，一般要求不超过2小时。

表一：

常用材料的腐蚀剂

待蚀材料

腐蚀剂

Si（单晶）

CF4，CF4+O2

多晶硅

CF4，CL2/HBR，SF6，BCL3/CL2

AL，AL-Si，AL-Si-Cu

CL2，BCL3，SiCL4，BCL3/CL2/CHF3

SiO2（BPSG）

CF4，C2F6，CHF3

Si3N4

SF6，CF4

第四章在线干法腐蚀设备结构/工艺原理简介

在腐蚀工艺过程中需要特别考虑的常见工艺参数有：

1．ETCHRATE

2．ETCHUNIFORMITY

3．SELECIVITY

4．PROFILE

5．CDLOSS

6．OXIDELOSS

7．WIDOW/VIASTEPCOVERAGE

一、SIN腐蚀

SIN腐蚀的目是为的了形成有源区（即器件形成区域）.但是在这一步被腐蚀的SIN区域是后面长的是场氧，形成场区，SIN留下的区域才是有源区。

6”GASAD腐蚀设备是P5K-SIN，低压力，终点控制，腐蚀气体主要是SF6，腐蚀速率在2200A/MIN，SIN对OXIDE的选择比在3左右。

SIN腐蚀需要特别注意是就是1.保证SIN腐蚀干净2.留有一定的SIO2，不能腐蚀到SI衬底上。

3.由于SIN及PADOXIDE的厚度都较薄，所以对腐蚀均匀性的要求也很高。

在线监测腐蚀后的残氧。

二、OXIDE腐蚀

6”主要有LAM384T，ASIQ，P5K-OXIDE；5”主要有AME8111。

主要腐蚀工艺有：

孔腐蚀，通孔腐蚀，SPACER腐蚀，平坦化腐蚀，钝化腐蚀等；腐蚀气体主要为CHF3，CF4，Ar，O2。

其中CHF3是产生POLYMER的主要气体，可以提高SIO2对Si/POLY-Si，PR的选择比；调整CHF3/CF4的比例，可以控制POLYMER的产生；Ar为惰性气体，可以运载离子，增强离子轰击，帮助控制POLYMER，调整PROFILE；He为背面冷却气体。

孔和通孔都要求有良好的AL台阶覆盖。

OXIDE腐蚀设备特点：

384T为三电极式结构（见下图示），ASIQ为4个腔体的384T，P5K-OXIDE为应用材料的MXP+，采用静电吸附硅片，可以提高腐蚀速率的均匀性。

1．孔腐蚀

WINDOW1的介质结构一般为BP7500A，经回流漂洗后厚度约为5500A，为保证一定的台阶覆盖，WINDOW腐蚀一般采用两步腐蚀法：

STEP1：

ISOETCH（各向同性腐蚀AE2001-1#）

STEP2：

ANISOETCH（各向异性腐蚀ASIQ/P5K-OXIDERIEETCH）

需要注意的是1.要保证有一定的过腐蚀量（即孔要腐蚀干净），否则孔的接触电阻会很大，其他一些参数会测不出来。

2.过腐蚀量又不能太大；所以必需要有OXIDE对SI/POLY-SI的选择比很高（一般大于10）来做保证。

在线一般用腐蚀以后的场氧厚度来监控孔腐蚀是否干净

2．平坦化工艺与VIA腐蚀

平坦化腐蚀：

当器件集成度提高，器件尺寸越来越小，需要用到双层（多层）布线的时候，平坦化的工艺也随之引入生产。

随着器件的形成，在圆片上的膜层见多（FOX，POLY1，POLY2，D1，M1等），圆片表面的平整度变差，这是对光刻机形成了挑战；平坦化的目的就是要减小减小台阶差异，给光刻提供有利条件。

M1台阶片5500APETEOSARFILLET18KPETEOSPLAN

VIA腐蚀：

VIA是使M1/M2连接起来的通道。

同样要是M1/M2连接的好，需要有良好的VIA形貌来保证M2的台阶覆盖。

我们的VIA工艺实际上同时也是又一次平坦化腐蚀。

VIA腐蚀要注意1.VIA要腐蚀干净2.最终的介质厚度要控制住，不能太薄（造成M1，M2间漏电），也不能太厚（M2台阶覆盖不良）。

VIA腐蚀一般分三步主要工艺

STEP1：

OXIDE/PR=6：

1

STEP2：

OXIDE/PR=1：

2（为保证AL2的台阶覆盖）

STEP3：

OXIDE/PR=2：

1（1：

1）----OVERETCH

反应机理：

CHF3CF3+HCF3CF2+F

CHF3CHF2+FCHF2CHF+F

影响选择比的几个主要因素：

1）CHF3/CF4RATIO

2）PRESS

3）ArFLOW

4）RF

5）HeCOOLING

6）电极温度

7）totalconcentrationof　fluorinated　species

3．Spaceretch

一般当器件特征尺寸做至1.2UM以下时，在POLY腐蚀以后会有一步SPACER工艺，其作用是保护POLY侧壁，实现源、漏注入自对准，减小因源漏注入造成的横向扩散。

spacer作用：

1）实现注入自对准

2）保护POLY侧壁

spacer腐蚀STEP1：

TEOS终点控制

STEP2：

LPSIN终点控制/时间

STEP3：

OVERETCH

在线监控FOX损失量/SEM检查SPACER宽度

4．钝化腐蚀（略）

钝化的目的是给器件以表面保护作用。

一般钝化层采用PEOXIDE/PESIN双层介质。

三、POLYETCH

主要设备有P5K-POLY，T1611

主要腐蚀气体为CL2，HBR，HCL等。

POLYETCHPROCESS：

STEP1-BREAKTHROUGHSTEP（OPTIONAL）

STEP2-MAINETCHSTEP（OPTICALEMISSIONENDPOINT）

STEP3-OVERETCHSTEP

POLY腐蚀工艺中需注意的是：

1．POST-ETCHSIDEWALL

2．STRINGERS

3．MICROLOADING

4．UNIFORMITY

5．PROFILE/CDCONTROL

6．SELECTIVITYTOOXIDE

7．POLYSi：

PRSELECTIVITY

CF4主要用于STEP1，以去除POLY表面的一层自然氧化层，有时在POLY光刻之前如有一步HFDIP，STEP1可以不做。

CL2是主要腐蚀气体；HBr可以形成POLYMER保护侧壁，提高对PR的选择比；加入He-O2可以提高对OXIDE的选择比。

在线监测腐蚀后的残氧，但由于POLY腐蚀以后一般氧化层表面都有一些POLYMER附着，所以腐蚀后测的残氧值通常并不是真实的，经100：

1HFDIP10SEC之后测量的值才是真实的残氧值。

四、METALETCH

主要设备有H-200，T1612，P5K-METAL，AME8330

主要腐蚀气体：

CL2/BCL3/CF4/N2

1．AME8330为多片式刻蚀系统，阳极为钟罩，阴极为六面体电极，共有18个硅片基座，LOADLOCK可储存硅片，自动装片系统。

终点控制模式。

刻蚀和去胶在同一腔体，可以有效的消除AL的后腐蚀。

2．P5000-METAL为单片式刻蚀系统，有一个28位的硅片储存室，可以一次将所有圆片传入室内，等待刻蚀。

两个PROCESSCHAMBER，一个STRIPCHAMBER。

METAL腐蚀后一定要注意去胶及时，否则，如前所述，会有AL的后腐蚀发生。

第五章干法腐蚀工艺中的终点检测

早期的监控方法是计时法：

假定被腐蚀材料的膜厚已知，先通过实验确定腐蚀速率，然后在工艺过程中，由计时确定终点，单由于影响腐蚀速率的因素很多（如压力，温度，流量，气体比例等），腐蚀速率难于重复，用定时的方法不能满足工艺要求。

用观察腐蚀过程中腐蚀层干涉颜色的变化来确定终点，其方法虽然简单，但它要求操作者能够识别不同复合层的图形颜色，而且需要有充分的暴露面积以供腐蚀过程中用肉眼观察，因而不适应大生产。

采用终点控制可以较精确的控制腐蚀时间，屏蔽因为腐蚀速率的差异造成的时间误差，充分实现腐蚀设备的自动化。

目前主要有发射光谱法、光学反射法、质谱法、探针法、阻抗监视法等。

总之，凡是在腐蚀终点能够发生明显变化的参量都可以作为终点检测的信号，形成相应的终点检测方法。

现在我们常用的是光谱法。

其物理理论是每一种物质受到能量激发，都会发出其特定的波长。

硅片在被腐蚀的时候，腔体内维持一个稳定的反应气氛，所探测的物质波长发射密度基本不变，当硅片快要腐蚀结束时（即到达终点位置），密度会发生突变，这样经过光电信号转换，即可探测到终点位置。

使用这种方法需要注意的是：

1.所用于探测波长的物质必须要有足够的密度；2.必须要能够发生突变。

第六章干法去胶

当SiO2或Al等待刻蚀材料腐蚀完毕后，起刻蚀掩蔽作用的光刻胶必须去除干净，以给下一步工序留下一个清洁的表面。

去胶的基本原则是

（1）去胶后硅片表面无残胶、残迹；

（2）去胶工艺可靠，不损伤下层的衬底表面

（3）操作安全，简便

（4）无公害及生产成本低。

目前除了采用湿法去胶外，还有等离子去胶（干法去胶）。

我们所用的干法去胶设备有A1000（单片式），DES（筒式）。

A1000去胶设备为一种等离子体下游式去胶，其去胶方式可以更小的减少对硅片的等离子损伤。

去胶使用气体主要为O2，与光刻胶中的C反应生成CO，去胶温度一般在150度左右。

第七章在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法

1.腐蚀不净

例：

GASAD有SIN残余

原因分析：

384设备腐蚀能力不足，片内均匀性差，不能满足1um以下的产品工艺。

处理方法：

改用P5K-SIN腐蚀1.0UM以下产品的GASAD。

2．AL的后腐蚀

原因分析：

AL腐蚀后去胶时间间隔太长，造成空气中的水气与光刻胶中残留的CL离子反应生成HCL，继续腐蚀AL。

处理方法：

AL腐蚀后及时去胶，检查AL腐蚀设备的压力及气体组分对反应腔的影响。

1．AL腐蚀后TIN残留

原因分析：

AL的结构为Ti375-TiN600A/ALSICU4500A/TIN500A由于AL溅射后表面有梅花状（分析为Si析出），造成刻蚀难以腐蚀干净。

处理方法：

优化腐蚀RECIPE；调整AL溅射质量。

2．过腐蚀

例：

AL过腐蚀造成AL条细，断条等。

原因分析：

1.错误找到终点，致腐蚀时间过长。

2．错误选择腐蚀程序。

3．来片膜厚偏薄等。

3．残留物（同4）

一般指腐蚀以后圆片表面留有残留的膜，没有被刻蚀干净。

原因分析：

腐蚀时间不足或腐蚀程序设置不恰当。

处理方法：

优化RECIPE。

4．糊胶/塌胶

原因分析：

一般是由于硅片背面He冷却流量太小造成反应过程中硅片表面温度过高引起。

处理方法：

调整He流量至正常值。

7．

5．颗粒

例：

SPACER腐蚀颗粒

原因分析：

腔体内腔壁由于有POLYMER聚结，腐蚀过程中有颗粒掉在硅片上，阻止进一步腐蚀，造成局部腐蚀不干净。

处理方法：

清洗腐蚀腔体。

6．PROFILE不良

例：

CS4005ALPROFILE不良

原因分析：

腐蚀程序不适用（如CL2流量太大，PRESS太低等）

处理方法：

优化RECIPE。

7．去胶不净/残胶

原因分析：

去胶时间不够或方法不当。