图形刻蚀技术.docx

1、图形刻蚀技术第7章：图形刻蚀技术(Chapter 11)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PhotoresistPhotoresistmaskmaskFilmProtected filmPhotoresistmaskto be etchedFilm to be etched(b) Substrate after etch(a) Photoresist-patterned substrateWet etchingResistLayer to be etchedSubsUateReactive

2、Ion plasma sictiing (RlE)I high pressure low pressure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）TperfEtehSdeMallHxtileWtEtdiIsctnic(cendhcnequipTErt &pEranrters)Aisohrpic(dqendungcnequipTErt &ponjnrlers)SliccnTtendiEtch Bias、Undercut、Slope and OveretchWb| H一 Wa丨f Bias；Resist :FilmSubstrate

3、UndercutMask Chrome 70-80 C、乙醇稀释-Si3N4： H2PO4H2PO4： HNO3=3： 1 ( SiC2膜) HF (Cr膜)-其它定向腐蚀(P265263)etching in KOH, isopropyl alcohol, and water. The upper photo shows a 50-mm-deep etch. The lower photographs are of 80-mm-deep trenches etched at 10 mm pitch on (110) and 107 off (110) (ctfter Bean, 1978 I

4、EEE).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 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

5、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。w Ion milling 才Reactive High ion density etching plasma Plasma etching l I II101io-110-310-5Pressure (torr)Figure 11.2 Types of etch processes on a chamber pressure scale.装置:SiF4+2COCl基/Sl / 1/Sl /Sl(II)Figure 11.8 Proposed mechanism of plasma etchi

6、ng of silicon in CF# A l - to 5-a(om-lhick SiFv layer forms on the surface A silicon atom on the upper level is bonded to two fluorine atoms. An additional flu or inc atom may remove the silicon as SiF2. Much more likely, however, is that additional (III) fluorine atoms bond to the silicon atom unti

7、l SiF4 forms anddesorbs (after Manos and Flanun, reprinted by permission, Academic Press).RF generator:1) Etchant gases: enter chamber(Gas deliverElectric fieldEtch process chamberExhaustIsotropic etchSubstrate唸么么么么么么么么么么么么么么么么么么么么7) Desorption of by-productsBy-products o2) Dissociation of reactants

8、 by electric fields4) Reactive +ions bombard surfaceAnisotropicetch九oo3) Recombination ofO electrons with atoms.creates plasma5) Adsorption of 6) Surface reactions of reactive ions radicals and surface filon surface8) By-productremovalCD-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、cf6SOLIDETCH GASE

9、TCH PRODUCTSi. SiO2a Si3N4CF中 SF6, NF3SiF4Si0*12, CCIgF?SiCI2r SiCI4AlBGig. CCI4, SiCI4, ci2aici31 ai2ci6Organic Solids2co, co2l ho2 + CF4C0P C02, HFRefractory Metals W, Ta, Mo.)See Table 11.3120Figure 11.11 Etch rate of Si and SiO2 in (A) CF4/O2 plasma (after Mogab et al.9 reprinted by permission,

10、AIP)、and(B) CF4/H2 plasma (after Ephrath and Petrillo, reprinted by permission of the publisher, The Electrochemical Society Inc.).10080Resist (PMMA 2041)6040200Pressure - 25 mTorr Flow rate - 40 ccm150(B)10 20 30 40Percent hydrogen (CF4 + H2 mixture)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

11、杂Si浓 度为2X 1018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2X IO18 (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

12、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|CO NSTANT) #计算等离子体外壳的电压降的 模型，默认为CONSTANTMAX.IONFLUX=IONFLUX.THR=vnK.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ATHENA WERLAYAlltNAfftRlAYDala from m

13、ultiple filesData from multiple filesMierGCiS妇旳 &_p RORJU3 旳 U_p _ph5niw_p irj6_pherTi6i_p mgoaa _phsma_p1.tf37S 511 lOstr50如100 sir8410HicrorfS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ATHEfA OVERLAYData from multiple 1iles-10 8-62n0aFt5_ptosme*Jg95j2CO.5lf in护8_ptairiiaJ93a_3CO alt 旷25忖巧.d

14、0 5lr101416Microns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MizranxDC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ATHENA OVE口LAYData from multiple files1814Microns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ATHENA OVERLAYData from multiple files0匸 O.J25MCfons改变刻蚀腔压强对离子的能量一角度分布的

15、影响An* ()压强较小时，离子的方向性要好各向异性刻蚀WaferFigure 11.10 Schematic diagram of a high-pressure anisotropic etch showing the formation of sidewall passivating films.Section 11.3 （重点阅读）-反应离子刻蚀（RIE）1=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

16、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 RTE)活性褐子cn/i-h.GH, NFn/G：BCLchf5非洁性离于Af各向同性 各向异性各向同性同躺型SiO： 宙曲.Al齐向异件平行平哲型SiOt 弄各向舁性平斤平版型Physical EtchingSputtered surfacematerialChemical EtchingIsotropic etchChemical Versus PhysicalDry Plasma EtchingBldi Paramete

17、rPhysical Etch(RF fieldperpendicularto wafersurface)Physical Etdi(RF fieldrallel toChenilEtchComtrinedPhysical andwafer surface)CheniEtch MechanismPhysical ion sputteringRadicals in plasma reacting with wafer surfhce*Radicals in liquid reacting with wafer surfaceIn dry etch, etching includes ion spu

18、ttering and radicals reacting with wafer surfaceSidewaU Pmfile 血叫应IsotropicIsotropicIsotropic to AnisotropicSelectivityEtdhRateCD ContixJPooiYdifficult to increase (1:1)HighFair/goodFair/good (5:1 to 100:1)Good/excellent(up to 500:1)FaiiVgood (5:1 to 100:1)MkxleratePoorLowPoor to nonexistentModerate

19、Good/excellent* Used primaiily fcr stripping and etchback operations.-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T34nm41Increasing lower bias frequencyIS i.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CDFull inorganic filla)Full organic fill126n

20、mt73nmMultilayer maskDual hard maskMetal hard mask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Plasma ions T Yi ii ii ii ii i1 1Resistr1 1( OxideJPolymer formationHSiliconPHYSICALPLASMAPROCESSPRESSUREIONEMERGYBALANCEDPROCESSCHEMICAL PLASMAPROCESSREA匚Tl VEI0H ETCH

21、INGSPUTTERETCHINGPLASMAETCHINGHIGHLOW图6-1在第离子刻蚀中的物理和化学过程SPUTTERETCHING (PHY5ICAL)REACTIVE ION EtchingPLASMALTCHIN& (CHEMICAL)LOWHIGHLOW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AICCh2fil4AICI3962AlCuAr3248CuCtAr3579GResist2977CO3089OH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6563

22、HFUmEtchina1EndpointSi cr4/o?7037F777GSiFCh2882SicFt/a3370n27037F67.16KSiChCHFIS40CO(P-Dofied)2535PW7037F615fc0Time扫描单色光谱仪残余气体分析（RGA） /质谱分析14 24 阳 44 54Mess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Randomly select 3 to 5 wafers in a lotMeasure etch rate at 5 to 9 locations on each wafer, then calculate et

23、ch uniformity for each wafer and compare损伤（117阅读）Silicon depth-50 A fluorocarbon-15 ASi-Oxygen layer 0Si-Carbide location30 A Heavily damaged region300 A Damage and hydrogen penetrationFigure 11.20 A cross section schematic of the results of a typical etch of SiO2 down to Si using CF4/H2 (after Oehr

24、lein, Rembetski, and Payne, reprinted by permission, AIP).剥离技术：（11.9）Liftoff processChlorobenzene modification processFigure 11.22 Process sequence for a liftoff operation (after Hatzakis et al.f 1980 Inteniational Business Machines Corporation).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-MetaPx-MetalSilicon nitride and vanadium oxideBipolartransistor2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0 I I 0（SEM照片）19 pin1 5KVX300 1OOMm WD17mm1. 5KVX3Omm WD17mm