半导体制造工艺11刻蚀剖析.pptx
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1、半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理1两大关键问题:两大关键问题:选择性选择性方向性:各向同方向性:各向同性性/各向异性各向异性待刻材料的刻蚀待刻材料的刻蚀速率速率掩膜或下层材料掩膜或下层材料的刻蚀速率的刻蚀速率横向横向刻蚀刻蚀速率速率纵向刻纵向刻蚀速率蚀速率图形转移过程演示图形转移过程演示图形转移光刻刻蚀图形转移光刻刻蚀半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理2刻蚀速率刻蚀速率R(etch rate)单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产率有较大影响率有较大影响刻蚀均匀性刻蚀均匀性(etch uniformity)一个硅片或多个硅片或多批硅片一个硅片或多
2、个硅片或多批硅片上刻蚀速率的变化上刻蚀速率的变化选择性选择性S(Selectivity)不同材料之间的刻蚀速率比不同材料之间的刻蚀速率比各项异性度各项异性度A(Anisotropy)刻蚀的方向性刻蚀的方向性A=0,各项同性;各项同性;A=1,各项异性各项异性掩膜层下刻蚀掩膜层下刻蚀(Undercut)横向单边的过腐蚀量横向单边的过腐蚀量刻蚀的性能参数刻蚀的性能参数半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理3A0 0A1 A=1Uniformity/non-uniformity均匀性均匀性/非均匀性非均匀性 Rhigh:最大刻蚀速率最大刻蚀速率Rlow:最小刻蚀速率最小刻蚀速率方向性:方向
3、性:过腐蚀(钻蚀):过腐蚀(钻蚀):假定假定S 时时半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理4刻蚀要求刻蚀要求:1.得到想要的形状(斜面还是垂直图形)得到想要的形状(斜面还是垂直图形)2.过腐蚀最小(一般要求过腐蚀过腐蚀最小(一般要求过腐蚀10,以保证整片刻蚀完全),以保证整片刻蚀完全)3.选择性好选择性好4.均匀性和重复性好均匀性和重复性好5.表面损伤小表面损伤小6.清洁、经济、安全清洁、经济、安全两类刻蚀方法:两类刻蚀方法:湿法刻蚀湿法刻蚀化学溶液中进行化学溶液中进行反应腐蚀,选择性好反应腐蚀,选择性好干法刻蚀干法刻蚀气相化学腐蚀气相化学腐蚀(选择性好选择性好)或物理腐蚀()或物理
4、腐蚀(方向方向性好性好),或二者兼而有之),或二者兼而有之半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理5刻蚀过程包括三个步骤:刻蚀过程包括三个步骤:反应物质量输运(反应物质量输运(Mass transport)到要被刻蚀)到要被刻蚀的表面的表面在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应反应产物从表面向外扩散的过程反应产物从表面向外扩散的过程半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理6湿法刻蚀湿法刻蚀反应产物必反应产物必须溶于水或须溶于水或是气相是气相半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理7BOE:buffered oxide etching或或
5、BHF:buffered HF加入加入NH4F缓冲液:弥补缓冲液:弥补F和降低对胶的刻蚀和降低对胶的刻蚀实实际际用用各各向向同同性性例例1:SiO2采用采用HF腐蚀腐蚀例例2:Si采用采用HNO3和和HF腐蚀(腐蚀(HNA)例例3:Si3N4采用热磷酸腐蚀采用热磷酸腐蚀半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理8例例4:Si采用采用KOH腐蚀腐蚀各向异性各向异性Si+2OH-+4H2O Si(OH)2+2H2+4OH-硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理9原子密度:原子密度:腐蚀速度:腐蚀速度:R(1
6、00)100 R(111)半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理10HNA各向同性腐蚀各向同性腐蚀自终止自终止半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理11利用利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS(MicroElectroMechanical Systems)结构)结构半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理12湿法腐蚀的缺点湿法腐蚀的缺点在大规模集成电路制造中,湿法腐蚀正被干法刻蚀在大规模集成电路制造中,湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代:所替代:(1)湿法腐蚀是各向同性,干法可以是各向异性)湿法腐蚀是各向同性,干法可以是各向异性(2)干法腐蚀能达
7、到高的分辨率,湿法腐蚀较差)干法腐蚀能达到高的分辨率,湿法腐蚀较差(3)湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂,对人体和)湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂,对人体和环境有害环境有害(4)湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余)湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物,不经济物,不经济半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理13干法刻蚀干法刻蚀化学刻蚀(各项同性,选择性好)化学刻蚀(各项同性,选择性好)等离子体激活的化学反应等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀等离子体刻蚀)物理刻蚀(各向异性,选择性差)物理刻蚀(各向异性,选择性差)高能离子的轰击高能离子的轰击(溅射刻蚀溅射刻蚀)离子增强刻蚀(
8、各向异性,选择性较好)离子增强刻蚀(各向异性,选择性较好)反应离子刻蚀反应离子刻蚀半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理14化学刻蚀化学刻蚀 物理刻蚀物理刻蚀半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理15离子增强刻蚀离子增强刻蚀-Ion Enhanced etching等离子体刻蚀的化学和物理过等离子体刻蚀的化学和物理过程并不是两个相互独立的过程,程并不是两个相互独立的过程,而且相互有增强作用而且相互有增强作用无离子,无离子,XeF2对对Si不刻蚀不刻蚀纯纯Ar离子,对离子,对Si不刻蚀不刻蚀Ar离子和离子和XeF2相互作用,相互作用,刻蚀速率很快刻蚀速率很快物理过程(如离子轰
9、物理过程(如离子轰击造成的断键击造成的断键/晶格损晶格损伤、辅助挥发性反应伤、辅助挥发性反应产物的生成、表面抑产物的生成、表面抑制物的去除等)将有制物的去除等)将有助于表面化学过程助于表面化学过程/化化学反应的进行学反应的进行半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理16典型的典型的RF等离子刻蚀系统和等离子刻蚀系统和PECVD或溅射系统类似或溅射系统类似半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理17等离子体等离子体等离子刻蚀基本原理等离子刻蚀基本原理等离子体等离子体(Plasma)的含)的含义义包含足包含足够够多的正多的正负电负电荷数目近于相等的荷数目近于相等的带电带电粒子的物粒
10、子的物质质聚集状聚集状态态。由于物由于物质质分子分子热热运运动动加加剧剧,相互,相互间间的碰撞就会使气体分子的碰撞就会使气体分子产产生生电电离,离,这样这样物物质质就就变变成由自由运成由自由运动动并相互作用的正离子和并相互作用的正离子和电电子子组组成的混合物成的混合物(蜡蜡烛烛的火的火焰就焰就处处于于这这种状种状态态)。我。我们们把物把物质质的的这这种存在状种存在状态态称称为为物物质质的第四的第四态态,即等,即等离子体离子体(plasmaplasma)。因。因为电为电离离过过程中正离子和程中正离子和电电子子总总是成是成对对出出现现,所以等离,所以等离子体中正离子和子体中正离子和电电子的子的总总
11、数大致相等,数大致相等,总总体来看体来看为为准准电电中性。中性。液液态态固固态态气态气态等离子体等离子体半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理18刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制刻蚀机制刻蚀工艺包括5个步骤:1、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生;2、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面;3、反应物被表面吸收;4、通过化学反应产生挥发性化合物;5、化合物离开表面回到等离子体气流中,接着被抽气泵抽出。基本刻蚀方式为:物理方式:溅射刻蚀,正离子高速轰击表面;化学方式:等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的
12、缺陷,但有各向同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓,但伴随低的选择比与高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合,如反应离子刻蚀(RIE)。半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理19半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理20等离子体探测 大多数的等离子体工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间,一个简单的缝隙方法是利用光学发射光谱仪(OES)来测量这些发射光谱的强度与波长的关系。利用观测到的光谱波峰与已知的发射光谱比较,通过可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的密度,也可以通过观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副产物所引起的发射信号在刻蚀终点
13、开始上升或下降。干法刻蚀必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器,即终点探测系统。激光干涉度量法用来持续控制晶片表面的刻蚀速率与终止点。在刻蚀过程中,从晶片表面反射的激光会来回振荡,这个振荡的发生是因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材料必须透光或半透光才能观测到振荡现象。振荡周期与薄膜厚度的变化关系为:终点控制半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理21刻蚀时间(任意单位)反射系数(任意单位)硅化物多晶硅硅化物/多晶硅刻蚀实验曲线半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理22Sputtering mode:硅硅片置于右侧电极,该片置于右侧电极,该电极接
14、地(反应腔体电极接地(反应腔体通常也接地,则增大通常也接地,则增大该电极有效面积);该电极有效面积);右侧暗区电压差小,右侧暗区电压差小,通过离子轰击的物理通过离子轰击的物理刻蚀很弱刻蚀很弱RIE mode:硅片置于面积较小的左侧电极,右电硅片置于面积较小的左侧电极,右电极仍接地;左侧暗区电压差大,通过离子轰击的物极仍接地;左侧暗区电压差大,通过离子轰击的物理刻蚀很强理刻蚀很强半导体制造工艺基础第五章第五章 刻蚀原理刻蚀原理23SiCl4TiCl4反应离子刻蚀(反应离子刻蚀(RIE):):常用刻蚀气体为含卤素常用刻蚀气体为含卤素的物质,如的物质,如CF4,SiF6,Cl2,HBr等,加入添加等
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