图形刻蚀技术.docx

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图形刻蚀技术

第7章：

图形刻蚀技术

（Chapter11）

•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

Protectedfilm

Photoresist

mask

tobeetched

Filmtobeetched

（b）Substrateafteretch

（a）Photoresist-patternedsubstrate

Wetetching

Resist

Layertobeetched

SubsUate

ReactiveIonplasmasictiing（RlE）

Ihighpressure\^lowpressure

图4-21不同腐蚀工艺的结果：

〈左面｝湿法腐蚀（髙各向同性〉、C中间）干法刻曲方向性｝和佑恥干法刻述（爲方向性）

T^perfEteh

SdeMallHxtile

WtEtdi

Isctn

（c^endh^cn

equipTErt&

pEranrters）

Aisohrpic

（dq^endungcn

equipTErt&

ponjnrlers）

SliccnTtendi

EtchBias、Undercut、SlopeandOveretch

|H一Wa—丨

f◄—Bias

；Resist:

Film

Substrate

Undercut

MaskChrome

<-Lithographybias

Figure11.1Typicalisotropicetchprocessshowingtheetchbias.

Nitride

选择比：

E尸被刻蚀材料的刻蚀速率

E产掩蔽层材料的刻蚀速率

•对刻蚀的基本要求:

-图形的咼保真：

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）

-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（SiC>2膜）HF（Cr膜）

-其它

定向腐蚀（P265~263）

盒

-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

-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

•Section11.3（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。

wIonmilling才

ReactiveHighiondensityetchingplasmaPlasmaetchinglII

101

io-1

10-3

10-5

Pressure（torr）

Figure11.2Typesofetchprocessesonachamberpressurescale.

装置:

i_L

M*曲予区

Processgases

-F基刻蚀原理：

（Si。

为例）

CF4-等离子激发.A2F+CF2（游离基）

•SiO2+4F

-SiF4+2O

•SiO2+2CF2

>SiF4+2CO

Cl基…

/Sl\

\/1/

/Sl\/Sl\

（II）

Figure11.8ProposedmechanismofplasmaetchingofsiliconinCF#・Al-to5-a（om-lhickSiFvlayerformsonthesurface・Asiliconatomontheupperlevelisbondedtotwofluorineatoms.AnadditionalfluorincatommayremovethesiliconasSiF2.Muchmorelikely,however,isthatadditional（III）fluorineatomsbondtothesiliconatomuntilSiF4formsand

desorbs（afterManosandFlanun,reprintedbypermission,AcademicPress）.

RFgenerator

1）Etchantgases

enterchamber

（Gasdeliver

Electricfield

Etchprocesschamber

Exhaust

Isotropicetch

Substrate

唸么么么么么么么么么么么么么么么么么么么

么

7）Desorptionofby-products

By-productso

2）Dissociationofreactantsbyelectricfields

4）Reactive+ionsbombardsurface

Anisotropic

etch

九oo

3）Recombinationof

Oelectronswithatoms

.createsplasma

5）Adsorptionof6）Surfacereactionsofreactiveionsradicalsandsurfacefil

onsurface

8）By-product

removal

-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

SOLID

ETCHGAS

ETCHPRODUCT

Si.SiO2aSi3N4

CF中SF6,NF3

SiF4

0*12,CCIgF?

SiCI2rSiCI4

BGig.CCI4,SiCI4,ci2

aici31ai2ci6

OrganicSolids

°2

co,co2lh£o

°2+CF4

C0PC02,HF

RefractoryMetals{W,Ta,Mo...）

SeeTable11.3

120

Figure11.11EtchrateofSiandSiO2in（A）CF4/O2plasma（afterMogabetal.9reprintedbypermission,AIP）、and

（B）CF4/H2plasma（afterEphrathandPetrillo,reprintedbypermissionofthepublisher,TheElectrochemicalSocietyInc.）.

100

Resist（PMMA2041）

Pressure-25mTorrFlowrate-40ccm

150

（B）

10203040

Percenthydrogen（CF4+H2mixture）

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3urri厚的掺杂Si浓度为2X1018的InP层（N+）,然后再淀积厚的Si掺杂4X1016的n_,lnGaAs,InGaAs中In的组分为0.53。

上层淀积lum厚的InP,掺杂为2XIO18（P+）o刻蚀阻挡层采用Si3N4,厚度lumo

等离子体刻蚀中可以改变的参数及默认值

各参数的意义:

[PRESSURE=]#定义等离子体刻蚀机反应腔的压强

[TGAS=]#定义等离子体刻蚀机反应腔中气体的温度

[TION=]#定义等离子体刻蚀机反应腔中离子的温度

[VPDC=]#等离子体外壳的DC偏压[VPAC=]#等离子外壳和电珠之间的AC电压

[LSHDC=]#外壳的平均厚度[LSHAC=]#外壳厚度的AC组成[FREQ=]#AC电流的频率[NPARTICLES=]#用蒙托卡诺计算来自等离子体的离子流的颗粒数[MGAS=]#气体原子的原子质量[MION=]#等离子体离子的原子量

[（CHILD丄ANGM|COLLISION|LINEAR|CONSTANT）]#计算等离子体外壳的电压降的模型，默认为CONSTANT

[MAX.IONFLUX=]

[IONFLUX.THR=vn>]

[K.l=]#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

SUOLS

改变刻蚀腔压强

ATHENAWERLAY

AlltNAff\tRlAY

Dalafrommultiplefiles

Datafrommultiplefiles

MierGCiS

妇旳&_pRORJU3旳U_p_ph5niw_pir»j««6^_pherTi6i_pmgoaa_phsma_p

1.£tf

37S511lO

50如

100sir

HicrorfS

刻蚀腔压强越大，刻蚀速率变小.刻蚀效果也变差。

这从离子的能量一角度分布中也可以得出结论

改变气体温度

ATHEf^AOVERLAY

Datafrommultiple1iles

-10—

•8

-6

・2

n0aFt5_ptosme*Jg95j2CO.5lfin护8_ptairiiaJ93a_3COalt「旷25』忖巧.d〔05lr

Microns

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

Mbfons

离子温度低时刻蚀效果要好,

但刻蚀速率几乎不变

改变3C偏压

AC偏压变化时，刻蚀体现不出差别

改变de偏压

Mizranx

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

ATHENAOVE口LAY

Datafrommultiplefiles

Microns

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

ATHENAOVERLAY

Datafrommultiplefiles

0匸O.J25

MCfons

改变刻蚀腔压强对离子的能量一角度分布的影响

An*（）

压强较小时，离子的方向性要好

各向异性刻蚀

Wafer

Figure11.10Schematicdiagramofahigh-pressureanisotropicetchshowingtheformationofsidewallpassivatingfilms.

Section11.3（重点阅读）

-反应离子刻蚀（RIE）

ReactiveIonEtch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一吸附活性点，加快底部刻蚀速率，实现各向异性刻蚀。

反应种类

气体举鋼

诵坯子刻锂

CFb

更应盅子划烛

活性褐子

cn/i-h.

GH,NFn/G：

BCL

chf5

非洁性离于

各向同性各向异性•

各向同性

同躺型

SiO：

宙曲.

齐向异件

平行平哲型

SiOt弄

各向舁性

平斤平版型

PhysicalEtching

Sputteredsurface

material

ChemicalEtching

Isotropicetch

ChemicalVersusPhysical

DryPlasmaEtching

BldiParameter

PhysicalEtch

（RFfield

perpendicular

towafer

surface）

PhysicalEtdi

（RFfield

rallelto

Cheni

lEtch

Comtrined

Physicaland

wafersurface）

Cheni

EtchMechanism

Physicalionsputtering

Radicalsinplasmareactingwithwafersurfhce*

Radicalsinliquidreactingwithwafersurface

Indryetch,etchingincludesionsputteringandradicalsreactingwithwafersurface

SidewaUPmfile血叫应

Isotropic

IsotropictoAnisotropic

Selectivity

EtdhRate

CDContixJ

PooiYdifficulttoincrease（1:

1）

High

Fair/good

Fair/good（5:

1to100:

1）

Good/excellent

（upto500:

1）

FaiiVgood（5:

1to100:

1）

Mkxlerate

Poor

Low

Poortononexistent

Moderate

Good/excellent

*Usedprimaiilyfcrstrippingandetchbackoperations.

-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

T34nm

Increasinglowerbiasfrequency

ISi.通过同时优化刻蚀速率和选择比，调节低和更低偏置频率提高了对剖面的控制

图2.a）改变带电粒子在品片上的分布可以修正刻蚀深度的不均匀性.而b）修正中性粒子速度和压力可以调节剖面〉制作出一致的CD

Fullinorganicfill

a）

Fullorganicfill

126nmt\

73nm

Multilayermask

Dualhardmask

Metalhardmask

图3.a）预沟道刻蚀和b）后沟道刻蚀和横截面清洗表明对等•离子体密度，粒子能量水平和分布.以及柱子分布的正交控制对不同的集成方案产生高质量刻蚀

侧壁钝化提高各向异性

Plasmaions

▼▼▼▼▼▼▼

Resist

（Oxide

Polymerformation

Silicon

PHYSICAL

PLASMA

PROCESS

PRESSURE

ION

EMERGY

BALANCED

PROCESS

CHEMICALPLASMA

PROCESS

REA匚TlVE

I0HETCHING

SPUTTER

ETCHING

PLASMA

ETCHING

HIGH

LOW

图6-1在第离子刻蚀中的物理和化学过程

SPUTTER

ETCHING（PHY5ICAL）

REACTIVEIONEtching

PLASMA

LTCHIN&（CHEMICAL）

LOW

HIGH

LOW

图6-2物理和化学刻蚀对晶片的作用结果

-刻蚀终点一诊断和控制技术（简述）

•终点监视仪一等离子体发射光谱（0ES）

nr;

iftKCA）

发肘瀝

CCh

2fil4

AICI

3962

3248

3579

Resist

2977

3089

表#4光发射共点监测特征渡长与不同种类刻蚀化学中选择的物质之问的关系

6563H

FUm

Etchina

Endpoint

Sicr4/o?

7037

777G

SiF

2882

cFt/a

3370

7037

67.16

SiCh

CHF

IS40

（P-Dofied）

2535

7037

615fc

Time

扫描单色光谱仪

•残余气体分析（RGA）/质谱分析

1424阳4454

Mess

图6-6从GF］等岡于得到的RGA出

•射频和偏置电压也可以终点检测信号

检测

Randomlyselect3to5wafersinalot

Measureetchrateat5to9locationsoneachwafer,thencalculateetchuniformityforeachwaferandcompare

损伤（11・7阅读）

Silicondepth

-50Afluorocarbon

-15ASi-Oxygenlayer0

Si-Carbidelocation

30AHeavilydamagedregion

300ADamageandhydrogenpenetration

Figure11.20AcrosssectionschematicoftheresultsofatypicaletchofSiO2downtoSiusingCF4/H2（afterOehrlein,Rembetski,andPayne,reprintedbypermission,AIP）.

剥离技术：

（11.9）

Liftoffprocess

Chlorobenzenemodificationprocess

习题：

列出5点以上干法刻蚀的优点和3点以上的工艺注意事项。

牺牲层缕空刻蚀

热隔离是阵列设计的关键

y-MetaP

x-Metal

Siliconnitrideandvanadiumoxide

Bipolar

transistor

2阵列版图的设计

1热隔离结构的设计与分析

AT=

=1.73x10-6（W/K）

C引线制作流程

d悬臂梁图形的制作e镂空结构的实现

0II0

（SEM照片）

]19pin

1•5KV

X3001OOMmWD17mm

1.5KV

X3O

mmWD17mm

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