半導(dǎo)體工藝原理--刻蝕工藝

1、2021/3/141刻蝕工藝刻蝕工藝2021/3/142光刻總結(jié)n光刻:臨時(shí)的圖形轉(zhuǎn)移過程nIC生長中最關(guān)鍵的工藝n需要:高分辨率、低缺陷密度n光刻膠:正膠和負(fù)膠n工藝過程:預(yù)烘、底膠旋涂、PR旋涂、前烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘PEB、顯影、堅(jiān)膜、檢測n下一代光刻技術(shù):EUV和電子束光刻2021/3/143刻蝕工藝刻蝕工藝n用光刻方法制成的微圖形,只給出了電路的行貌,并不是真正的器件結(jié)構(gòu)。因此需將光刻膠上的微圖形轉(zhuǎn)移到膠下面的各層材料上去,這個(gè)工藝叫做刻蝕。通常是用光刻工藝形成的光刻膠作掩模對(duì)下層材料進(jìn)行腐蝕,去掉不要的部分,保留需要的部分。n需要刻蝕的物質(zhì):SiO2 、Si3N4、Polysilic

2、on和鋁合金及Sin要求:圖形的保真度高、選擇比好、均勻性好、清潔。2021/3/144刻蝕工藝流程n刻蝕的基本概念刻蝕的基本概念 選擇性的去除硅片上薄膜的工藝。 選擇性:分為整片全部去除和部分去除; 去除:分為干法刻蝕和濕法刻蝕; 薄膜:介電質(zhì)層、金屬層、多晶層、光刻膠等薄膜。2021/3/145柵掩膜對(duì)準(zhǔn) Gate Mask Alignment2021/3/146柵掩膜曝光 Gate Mask Exposure2021/3/147Development/Hard Bake/Inspection2021/3/148Etch Polysilicon刻蝕多晶硅2021/3/149Etch Pol

3、ysilicon 繼續(xù)2021/3/1410Strip Photoresist 剝?nèi)ス饪棠z2021/3/1411Ion Implantation2021/3/1412Rapid Thermal Annealing2021/3/1413刻蝕術(shù)語n刻蝕速率n選擇比n刻蝕均勻性n刻蝕剖面n濕法刻蝕n干法刻蝕nRIE:反應(yīng)離子刻蝕2021/3/1414刻蝕速率（Etch Rate）d = d0 - d1 () ,腐蝕前后厚度的變化量, t 腐蝕時(shí)間 (min),以BOE對(duì)高飽和正硅酸乙酯磷硅酸玻璃（ PE-TEOS PSG ）薄膜為例,腐蝕時(shí)間: 1 minute ,溫度: 22 C,d0 = 1.7

4、 mm, d1 = 1.1 mm,則2021/3/1415刻蝕選擇比n刻蝕選擇比是指同種腐蝕液對(duì)不同材料刻蝕速率的比值。2021/3/1416舉例nBOE對(duì)高飽和正硅酸乙酯磷硅酸玻璃的刻蝕速率是 6000 /min, 硅的刻蝕速率是 30 /min。 2021/3/1417刻蝕均勻性n圓片上和圓片間的重復(fù)性n標(biāo)準(zhǔn)偏差不均勻性 n 最大最小均勻性2021/3/1418刻蝕剖面2021/3/1419刻蝕剖面2021/3/1420刻蝕技術(shù)分類:溫法腐蝕:進(jìn)行腐蝕的化學(xué)物質(zhì)是溶液;干法腐蝕(一般稱為刻蝕):進(jìn)行刻蝕的化學(xué)物質(zhì)是氣體。2021/3/1421n濕法刻蝕:利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)

5、行刻蝕的方法,用在線條較大的IC(3m);q優(yōu)點(diǎn):選擇性好;重復(fù)性好;生產(chǎn)效率高;設(shè)備簡單;成本低;q缺點(diǎn):鉆蝕嚴(yán)重;各向同性,對(duì)圖形控制性差,并且要使用大量有毒與腐蝕的化學(xué)藥品。q廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體工藝中:磨片、拋光、清洗、腐蝕;2021/3/1422IC工藝中常用材料的化學(xué)腐蝕劑材料腐蝕劑注釋SiO2HF(水中含49),純HF對(duì)硅有選擇性,對(duì)硅腐蝕速率很慢,腐蝕速率依賴于膜的密度,摻雜等因素NHF4:HF(6:1),緩沖HF或BOE是純HF腐蝕速率的1/20,腐蝕速率依賴于膜的密度,摻雜等因素,不像純HF那樣使膠剝離Si3N4HF(49%)腐蝕速率主要依賴于薄膜密度,膜中O,H的含量HPO:

6、HO(沸點(diǎn):130-150)對(duì)二氧化硅有選擇性,需要氧化物掩膜。AlH3PO4:H2O:HNO3:CH3COOH(16:2:1:1)對(duì)硅,氧化硅和光刻膠有選擇性多晶硅HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1)腐蝕速率依賴于腐蝕劑的組成單晶硅HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1)腐蝕速率依賴于腐蝕劑的組成KOH:HO:IPA(23wt%KOH,13wt%IPA) 對(duì)于晶向有選擇性,相應(yīng)腐蝕速率（100）:（111）100:1TiNH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)TiNNH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)對(duì)TiSi2有選擇性TiSi2NH4F:HF

7、(6:1)對(duì)TiSi2有選擇性光刻膠H2SO4:H2O2(125)適用于不含金屬的硅片有機(jī)剝離液適用于含金屬的硅片2021/3/1423濕法刻蝕剖面2021/3/1424SiO2 的腐蝕242426422()SiOHFSiFH OSiFHFHSiF氟化銨在SiO2 腐蝕液中起緩沖劑的作用。這種加有氟化銨的氫氟酸溶液,習(xí)慣上稱為HF緩沖液。常用的配方為: HF:NH4F:H2O = 3ml:6g:10ml2021/3/1425二氧化硅的腐蝕速率與溫度的關(guān)系2021/3/1426氮化硅腐蝕n對(duì)于厚度為1-2m 的較薄氮化硅膜,可以用HF緩沖液進(jìn)行腐蝕。n對(duì)于厚度較厚的氮化硅膜,再放入180的熱磷酸

8、中繼續(xù)刻蝕圖形窗口內(nèi)的Si3N4膜。2021/3/1427鋁的腐蝕目前常用的腐蝕液有磷酸及高錳酸鉀腐蝕液342432262()3AlH POAl H POH磷酸與鋁的反應(yīng)式高錳酸鉀腐蝕液的配方為:42:6 :10 :90KMnONaOH H Oggml高錳酸鉀與鋁的反應(yīng)式422NaOHKMnOAlKAlOMnO2021/3/1428硅或多晶硅的刻蝕n硅的刻蝕通常用硝酸和氫氟酸的混合液n硝酸其氧化作用將硅氧化成二氧化硅,同時(shí)氫氟酸將生成的二氧化硅去掉;n用去離子水沖洗掉刻蝕劑和反應(yīng)生成物。2021/3/1429n干法刻蝕:主要指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基(處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及

9、各種原子基團(tuán)等)與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的。優(yōu)點(diǎn):各項(xiàng)異性好,可以高保真的轉(zhuǎn)移光刻圖形;主要有濺射與離子束銑蝕、等離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等。2021/3/1430用于IC制造中薄膜的典型或代表性等離子體氣體材料刻蝕劑簡要介紹多晶硅SF6,CF4各向同性或接近各向同性（有嚴(yán)重鉆蝕）;對(duì)SiO2很少或沒有選擇性CF4/H2,CHF3非常各向異性,對(duì)SiO2沒有選擇性CF4/O2各向同性或接近各向同性,對(duì)SiO2有選擇性HBr,Cl2,Cl2/HBr/O2非常各向異性,對(duì)SiO2選擇性很高單晶硅與多晶硅的刻蝕劑相同SiO2SF6,NF3,CF4/O2,CF4接近各向同性（

10、有嚴(yán)重鉆蝕）;增大離子能量或降低氣壓能夠改進(jìn)各向同性程度;對(duì)硅很少或沒有選擇性CF4/H2,CHF3/O2,C2F6,C3F8非常各向同性;對(duì)硅有選擇性CHF3/C4F8,CO各向同性;對(duì)Si3N4有選擇性Si3N4CF/4O2各向同性,對(duì)SiO2有選擇性, 但對(duì)硅沒有選擇性CF4/H2非常各向異性,對(duì)硅有選擇性,但對(duì)SiO2沒有選擇性CHF3/O2,CH2F2非常各向異性,對(duì)硅和SiO2都有選擇性, AlCl2接近各向同性（有嚴(yán)重鉆蝕）Cl2/CHCl3, Cl2/N2非常各向異性,經(jīng)常加入BCl3以置換O2WCF4,SF6高刻蝕速率,對(duì)SiO2沒有選擇性Cl2對(duì)SiO2有選擇性TiCl2,

11、Cl2/CHCl3,CF4TiNCl2,Cl2/CHCl3,CF4TiSi2Cl2,Cl2/CHCl3,CF4/O2光刻膠O2對(duì)其他薄膜選擇性極高2021/3/1431q濺射與離子束銑蝕:通過高能惰性氣體離子的物理轟擊作用刻蝕,各向異性性好,但選擇性較差。q等離子刻蝕(Plasma Etching):利用放電產(chǎn)生的游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成揮發(fā)物,實(shí)現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對(duì)襯底損傷較小,但各向異性較差。q反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching:簡稱為RIE):通過活性離子對(duì)襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)

12、。目前,RIE已成為VLSI工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)。2021/3/1432n（1）二氧化硅的刻蝕n采用的氣體為CF4、CHF3、C2F6n增加等離子體中的氧含量,將導(dǎo)致Si/SiO2的選擇性變差。增加氫的含量將改善Si/SiO2的選擇性。n在現(xiàn)在的半導(dǎo)體刻蝕制造中,常采用CHF2和 Cl2的混合等離子體來進(jìn)行SiO2的RIE刻蝕。COSiFCFSiOOSiFFSiOCFFCF2224242242242021/3/1433n（2）氮化硅的刻蝕n用于刻蝕SiO2的干刻蝕法,都可以用來刻蝕氮化硅和多晶硅,但Si-N鍵的鍵結(jié)強(qiáng)度介于Si-O和Si- Si之間,因此,刻蝕速度以SiO2為最快,

13、Si3N4其次,多晶硅最慢。n如以CHF3的等離子體作為刻蝕氣體, SiO2/Si的選擇性在10以上,Si3N4/Si的選擇性在3-5, SiO2/ Si3N4的選擇性在2-4 。2021/3/1434（3）多晶硅化物（Polysilicon）的刻蝕 大多數(shù)金屬對(duì)SiO2的附著力很差,并且可以使用擴(kuò)散也能完成自對(duì)準(zhǔn)工藝,采用多晶硅來取代金屬。但多晶硅的電阻還是太大,所以在多晶硅的上方再加一層金屬硅化物（Metal Silicide）,以多金硅和硅化金屬所組合而成的導(dǎo)電層,便稱為多晶硅化金屬。2021/3/1435n其刻蝕分為兩步,首先是要除去未被光刻膠保護(hù)的硅化金屬,可以采用CF4、SF6、C

14、l2、HCl2等都可以用來作為硅化金屬的RIE的反應(yīng)氣體。n對(duì)多晶硅的刻蝕采用氟化物將導(dǎo)致等方向性的刻蝕,而Polycide 的刻蝕必須采用各向異性,因此采用氯化物較好,有 Si, HCL2, SiCl4等。2021/3/1436n(4)鋁及鋁合金的刻蝕n鋁和鋁合金是現(xiàn)在半導(dǎo)體制造過程中普遍采用的導(dǎo)體材料,鋁合金主要采用鋁-硅銅合金（防止尖刺和電遷移）,來作為半導(dǎo)體元件的導(dǎo)電層材料。n氟化物氣體所形成的等離子體并不適用于刻蝕鋁,因?yàn)樾纬傻幕衔顰LF3的揮發(fā)性很低,因此現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝中都使用氯化物,如: SiCl4 、BCl3 、CCl4等氣體與氯氣混合,來進(jìn)行鋁的RIE刻蝕, ALCL3具

15、有揮發(fā)性。n在進(jìn)行鋁刻蝕時(shí),應(yīng)先把鋁表面的Al2O3去除,然后再進(jìn)行第二步的鋁刻蝕。2021/3/1437n半導(dǎo)體生產(chǎn)中所使用的鋁既是鋁-硅-銅的合金,進(jìn)行干刻蝕時(shí),免不了要把這兩個(gè)物質(zhì)加以去除。硅很容易被刻蝕,而氯與銅所形成的化合物（ CuCl2),并不是一種揮發(fā)能力很好的物質(zhì),銅的刻蝕應(yīng)用濺射方式。2021/3/1438光刻質(zhì)量分析浮膠n1,操作環(huán)境的濕度過大;n2,二氧化硅表面不凈;n3,前烘不足或過度;n4,曝光或顯影不合適;n5,腐蝕不當(dāng)造成浮膠。 2021/3/1439鉆蝕n1、光刻掩膜版質(zhì)量不好,版上圖形邊緣不齊并有毛刺等。n2、光刻膠過濾不好,顆粒密度大。n3、硅片有突出的顆粒,使掩膜版與硅片接觸不好,圖形出現(xiàn)發(fā)虛現(xiàn)象。n4、氧化層的厚度差別太大。2021/3/1440鉆蝕n 曝光不足,交聯(lián)不充分,或曝光時(shí)間過長,膠層發(fā)生皺皮,腐蝕液穿透膠膜而產(chǎn)生腐蝕斑點(diǎn)。n 腐蝕液配方不當(dāng),腐蝕能力太強(qiáng)。n 掩模版透光區(qū)存在灰塵或黑斑,曝光時(shí)局部膠膜末曝光,顯影時(shí)被溶解,腐蝕后產(chǎn)生 針孔。2021/3/1441針孔n 氧化硅薄膜表面有外來顆粒,使得涂