刻蝕培訓教材

刻蝕工藝培訓教材

CompanyConfidential1摘要集成電路制造介紹刻蝕工藝基本概念CompanyConfidential2集成電路制造介紹

電路、芯片、管芯集成電路制作過程局部管芯剖面（BiCMOS工藝）CompanyConfidential3芯片、管芯、集成電路CompanyConfidential4集成電路制作過程氮化硅/氧化膜氧化膜多晶硅沉積硅化鎢沉積TEOS沉積硼磷氧化膜金屬膜保護層沉淀勻光刻膠曝光顯影化學蝕刻電漿蝕刻離子注入光罩投入硅片投入激光刻號硅片清洗去膠金屬熱處理/電性能測試晶背研磨硅片測試成品產(chǎn)出成品測試硅片封裝WATCPSortCompanyConfidential5BiCMOS剖面（雙層金屬連線）CompanyConfidential6刻蝕工藝基本概念一、刻蝕的目的及作用二、刻蝕基本原理原理與過程三、刻蝕工藝的發(fā)展及我公司刻蝕當前狀況四、刻蝕工藝評價項目、方法及標準五、刻蝕工藝控制方法六、刻蝕工藝選擇需考慮的因素七、刻蝕工藝常見問題CompanyConfidential7一、刻蝕的目的及作用刻蝕是用物理或化學的方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程；一般分為兩種：濕法刻蝕、干法刻蝕。刻蝕的基本作用是準確地復制掩膜圖形，以保證生產(chǎn)線中各種工藝正常進行。CompanyConfidential8二、刻蝕過程與原理CompanyConfidential9濕法腐蝕

（WETETCHING)濕法腐蝕原理常見設備工作圖主要試劑及用途優(yōu)點及缺點生產(chǎn)線應用工藝主要控制參數(shù)CompanyConfidential10濕法刻蝕原理通過合適的化學溶液與所欲蝕刻的材質進行化學反應，然后轉成可溶于此溶液的化合物，而達到去除的目的。濕法蝕刻的進行主要是憑借溶液與欲刻蝕材質之間的化學反應，因此，我們可以籍由化學溶液的選取與調配，得到適當?shù)奈g刻速率，以及欲蝕刻材質對下層材質的良好蝕刻選擇比。各向同性刻蝕CompanyConfidential11濕法腐蝕（WETETCHING)二氧化硅腐蝕-SiliconOxideEtchSiO2+6HF→H2SiF6+2H2OHF:刻蝕劑,NH4F:緩沖劑多晶硅腐蝕-Poly-SiEtchSi+HNO3+6HF→H2SiF6+HNO2+H2+H2OHNO3:氧化劑,HF:刻蝕劑金屬鋁腐蝕-AlEtchHNO3:氧化劑,H3PO4:刻蝕劑,CH3COOH:緩沖劑氮化硅腐蝕-SiliconNitirideEtchHot(>150℃)H3PO4:刻蝕劑3＃去膠-SC-3（120℃）H2SO4+H2O2=H2SO5+H2OH2SO5+PR=H2SO4+CO2+H2OCompanyConfidential12濕法腐蝕槽示意圖M過濾器熱交換器循環(huán)泵硅片外槽內槽試劑CompanyConfidential13主要的化學試劑BOE、BHF（HF/H2O)氟化氨腐蝕液（NH4F/HF/H2O)混酸4F（HNO3/NH4F/HF/H2O）鋁腐蝕液（HNO3/H3PO4/CH3COOH)熱磷酸（H3PO4)KOHCompanyConfidential14濕法刻蝕的優(yōu)點及缺點優(yōu)勢Advantage-設備簡單-可靠性-低成本-大通量-高選擇比

缺點Disadvantage-各向同性刻蝕-CD難控制-刻蝕度（過刻）不易控制-不能應用于小尺寸-操作困難及危險-環(huán)境污染CompanyConfidential15生產(chǎn)線上的主要用途大尺寸圖形腐蝕，例埋層（BL）氧化層漂凈,例外延前氧化層漂凈SiN剝離引線孔、通孔斜面腐蝕壓點腐蝕CompanyConfidential16主要控制參數(shù)主要控制參數(shù)腐蝕速率溶液溫度（熱交換器、循環(huán)裝置）溶液濃度（添加試劑、加工片量、放置時間）腐蝕時間人工計算終點控制CompanyConfidential17刻蝕的方向性各向同性(ISOTROPIC)各向異性(ANISOTROPIC)CompanyConfidential18顆粒PARTICLE比如當前我們有一個產(chǎn)品就不能采用干法刻蝕，因為下面有個光敏管，干法刻蝕的損傷會影響到其性能。分裂Dissociation一般來說，所刻蝕材料對其他材料的選擇比越大越好，一般要求大于3：1。干法刻蝕在生產(chǎn)線上主要應用RIE反應離子刻蝕mostimportantwithboth:

independentcontrolofionenergyandioncurrentdensityCompanyConfidentialAR=heightoffeature/widthoffeature=h/w濕法腐蝕

（WETETCHING)氟化氨腐蝕液（NH4F/HF/H2O)CompanyConfidentialH2SO5+PR=H2SO4+CO2+H2O側壁由于離子轟擊能量小，無法破壞，因此反應停止CompanyConfidential干法刻蝕干法刻蝕原理什么是等離子體常見刻蝕設備干法刻蝕基本方法側壁保護刻蝕終點控制（EndPointDetection）優(yōu)點及缺點生產(chǎn)線應用CompanyConfidential19干法刻蝕（DRYETCHING）等離子干法刻蝕的原理可以概括為以下幾個步驟：在低壓下，反應氣體在射頻功率的激發(fā)下，產(chǎn)生電離并形成等離子體，等離子體是由帶電的電子和離子組成，反應腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉變成離子外，還能吸收能量并形成大量的活性基團（Radicals）活性反應基團和被刻蝕物質表面形成化學反應并形成揮發(fā)性的反應生成物反應生成物脫離被刻蝕物質表面，并被真空系統(tǒng)抽出腔體。各向異性刻蝕CompanyConfidential20什么是等離子體

等離子體是低壓氣體(一般<1torr)在外界電場(DC,AC,RF,μwave)作用下，局部氣體發(fā)生電離而產(chǎn)生的；它由正離子，電子，中性原子，中性分子組成。CompanyConfidential21電離Ionization分裂Dissociation激發(fā)Excitation

CompanyConfidential22桶式等離子刻蝕機CompanyConfidential23平板式等離子刻蝕機CompanyConfidential24Highdensityplasma(HDP)system ECRvsICPECRwasintroducedatOPTin1985.ICPwasintroducedmuchlater(1991-1995)forplasmaprocessing.mostimportantwithboth:

independentcontrolofionenergyandioncurrentdensitylower(substrate)electrodegrounded,RFdrivingopt.ElectronCyclotronResonance(ECR)Inductivelycoupledplasma(ICP)CompanyConfidential25等離子刻蝕的基本方法1.化學刻蝕ChemicalEtching2.物理刻蝕SputteringEtching3.離子增強刻蝕IonEnhancedEtchingRIE反應離子刻蝕MERIE磁場增強反應離子刻蝕ECR電子回旋共振刻蝕ICP感應耦合等離子體刻蝕CompanyConfidential261.化學刻蝕Chemical氣體被離子化，形成等離子體。等離子體中的活性基團與基板物質反應，生成揮發(fā)性物質被抽走。各向同性純化學反應選擇比高反應壓力高通量大低電子損傷例：等離子去膠CompanyConfidential272.物理刻蝕Sputtering離子在電場作用下通過離子轟擊，撞出襯底原子。純物理反應各向異性選擇比差反應壓力低單片工藝刻蝕速率低例：反濺射CompanyConfidential283.離子增強刻蝕IonEnhancedEtching離子轟擊增加活性基團與基板材料的反應

損傷增加生成物的揮發(fā)化學濺射以化學方式增加物理濺射

離子反應CompanyConfidential29等離子刻蝕的的速率比較CompanyConfidential30等離子刻蝕各種效果圖CompanyConfidential31各種等離子刻蝕比較CompanyConfidential32六、工藝選擇的考慮因素后處理3（顯影液）所用機臺：AME-8330ECRwasintroducedatOPTin1985.三、刻蝕工藝的發(fā)展及我公司當前刻蝕狀況比如當前我們有一個產(chǎn)品就不能采用干法刻蝕，因為下面有個光敏管，干法刻蝕的損傷會影響到其性能。umiformity=（max-min）/（2×average)×100%一個硅片內不同點間速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。光學放射頻譜分析(OpticalEmissionCO-483.CompanyConfidential氟化氨腐蝕液（NH4F/HF/H2O)ECR電子回旋共振刻蝕(ANISOTROPIC)影響濕法腐蝕侵蝕的因素有：均勻性UNIFORMITY－－硅片內或硅片間速率偏差程度干法刻蝕材料、氣體及產(chǎn)物CompanyConfidential33側壁保護的等離子刻蝕

ProtectiveIonEnhanced一層保護膜在硅片上淀積，阻止反應劑到達被刻材料表面，使反應停止表面離子轟擊破壞保護膜，使反應繼續(xù)。側壁由于離子轟擊能量小，無法破壞，因此反應停止不揮發(fā)的高分子膜-(N2,HBr,BCl3,CH3F…..)CompanyConfidential34側壁保護刻蝕過程CompanyConfidential35側壁保護效果圖HCl/O2/BCl3ChemistrySF6/CFCl3ChemistryCompanyConfidential36終點偵測(EndPointDetection)

干法刻蝕不像濕法刻蝕，有很高的選擇比，過度的刻蝕會損傷下一層材料，因此，蝕刻時間就必須正確無誤的掌握；另外，機臺狀態(tài)的些微變化，如氣體流量、溫度、或晶片上材料一批與一批間的差異，都會影響刻蝕時間的控制，因此，必須時常檢測刻蝕速率的變化；使用終點偵測器的方法。可以計算出刻蝕結束的正確時間，進而準確地控制過度刻蝕的時間，以確保多次刻蝕的再現(xiàn)性。

常見的終點偵測有三種方法：

1.光學放射頻譜分析(OpticalEmissionCO-483.5nmAL-396nm)2.雷射干涉量度分析(Laser)3.質譜分析(MassDetection)Laser利用雷射光垂直射入透明的簿膜，在透明簿膜前被反射的光線與穿透簿膜后被下層材料反射的光線相干涉時，來偵測終點。CompanyConfidential37SF6刻蝕放射光譜圖CompanyConfidential38典型終點檢測曲線圖CompanyConfidential39等離子刻蝕負載效應宏觀效應單位面積反應濃度微觀效應濺射材質聚合物生成物擴散CompanyConfidential40干法刻蝕的優(yōu)點及缺點?優(yōu)點Advantages:沒有光刻膠支持問題

各向同性刻蝕

化學物品消耗少

反應生成物處理成本低自動化程度高?缺點Disadvantages:設備復雜，

RF,氣體系統(tǒng),真空系統(tǒng),選擇比低殘渣、聚合物、重金屬產(chǎn)生顆粒使用氟系、氯系氣體

CompanyConfidential41干法刻蝕在生產(chǎn)線上主要應用光刻膠剝離（干法去膠）Organicstripping硅刻蝕Siliconetching介質層刻蝕Dielectricetching(SiO2,Si3N4,etc.)金屬刻蝕MetaletchingCompanyConfidential42干法刻蝕應用硅刻蝕（單晶硅、多晶硅）

-工藝:ISO,WL,BL,Capacitor(SN,CP),PolyE/B…etc-使用氣體:Cl2,HBr,NF3,CF4,SF6,等金屬刻蝕（Al,W,Ti,TiN,Pt,…）

-工藝:WL,BL,Cap,MLM:Al,W,Pt,Ru,Ta,etc-使用氣體:Cl2,BCl3,CCl4,etc介質刻蝕（SiO2,Si3N4,PSG,BPSG,SiON…）

-工藝:ISO,Contact(PolyC/T,MetalC/T,Via),Spacer，PlanarEtchBack,Pad&Repair-使用氣體:fluoro-compounds(CF4,CHF4,C4F8,….etc)CompanyConfidential43三、刻蝕工藝的發(fā)展及我公司當前刻蝕狀況CompanyConfidential44我公司當前用到的刻蝕方法主要是濕法腐蝕與等離子刻蝕，適用于線寬1.5um以上產(chǎn)品。其中濕法腐蝕應用工序有：1、氧化層腐蝕：如BL-ET、DI-ET、EI-ET、CW-ET、CO-ET等；所用機臺：濕法腐蝕臺（7：1BOE）2、氮化硅去除：FN-WO所用機臺：磷酸槽（160℃）3、濕法鋁腐蝕：LA-ET所用機臺：鋁腐蝕臺4、后處理：后處理1（硝酸）、后處理2（混酸4F）、后處理3（顯影液）所用機臺：酸槽CompanyConfidential45等離子刻蝕應用工序主要有：1、氧化層刻蝕：DI-ET、CO-ET、VA-ET、PA-ET等；所用機臺：AME-8110、LAM-590、TEGAL-9032、氮化硅刻蝕：AA-ET、CA-ET等；所用機臺：LAM-490、TEGAL-9013、鋁刻蝕：LA-ET、LB-ET。所用機臺：AME-83304、干法去膠：所用機臺：TEGAL-415、TEGAL-915CompanyConfidential46四、刻蝕工藝評價項目、方法與標準刻蝕速率ETCHRATE－－單位時間內刻蝕掉的厚度均勻性UNIFORMITY－－硅片內或硅片間速率偏差程度CD損失CDLOSS－－刻蝕前后線條的變化量選擇比SELECTIVITY－－不同材質之間的刻蝕速率比過刻蝕OVERETCH－－刻蝕干凈后額外的刻蝕量剖面PROFILE－－刻蝕后臺階的形貌顆粒PARTICLE損傷PLASMADAMAGE（干法刻蝕）聚合物POLYMER（干法刻蝕）殘留物RESIDUE（干法刻蝕）CompanyConfidential47刻蝕速率：1、穩(wěn)定性：反映工藝的可重復能力，要求波動范圍在±10%以內?？梢酝ㄟ^計算CPK大小來進行評價；2、大?。捍笮≈苯記Q定機臺通量，因此在穩(wěn)定性及機臺與產(chǎn)品承受能力滿足要求的情況下，應盡量提高刻蝕速率。CompanyConfidential48均勻性：umiformity=（max-min）/（2×average)×100%1、片內均勻性：一個硅片內不同點間速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。2、片間均勻性：不同硅片間速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。CompanyConfidential49多數(shù)道次要求越小越好，但某些道次，如引線孔等，則有特殊要求。所用機臺：AME-8330臺階形貌對臺階的覆蓋能力有很大影響?？梢杂嬎愠隹涛g結束的正確時間，進而準確地控制過度刻蝕的時間，以確保多次刻蝕的再現(xiàn)性。CompanyConfidential(ANISOTROPIC)?優(yōu)點Advantages:CompanyConfidential反應生成物脫離被刻蝕物質表面，并被真空系統(tǒng)抽出腔體。等離子干法刻蝕的原理可以概括為以下幾個步驟：刻蝕是用物理或化學的方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程；1、氧化層腐蝕：如BL-ET、DI-ET、EI-ET、CW-ET、CO-ET等；CompanyConfidential聚合物POLYMER（干法刻蝕）多數(shù)道次要求越小越好，但某些道次，如引線孔等，則有特殊要求。CD損失：不同道次對CDLOSS要求不一。多數(shù)道次要求越小越好，但某些道次，如引線孔等，則有特殊要求。CompanyConfidential50選擇比：不同材質之間的刻蝕速率比。一般來說，所刻蝕材料對其他材料的選擇比越大越好，一般要求大于3：1。但也有例外，如我們當前所用的通孔刻蝕工藝，就要求SiO2：PR的選擇比在一定范圍內，以保證能夠刻出斜孔來。CompanyConfidential51過刻蝕：因為要刻蝕材料的厚度以及刻蝕速率都會有一定的波動，為了保證刻蝕干凈，一定量的過刻蝕是必須的。過刻蝕量越多，越能保證刻蝕干凈。但過刻蝕會造成CDLOSS、還會對其它材質造成損傷，因此過刻蝕量的確定要根據(jù)材質與刻蝕速率均勻性、CDLOSS、刻蝕選擇比等來綜合確定，一般過刻蝕量在20%-40%之間為宜。CompanyConfidential52剖面（臺階形貌）：臺階形貌對臺階的覆蓋能力有很大影響。評價臺階形貌的主要有：1、臺階角度（profile)：對某些道次來說，要求臺階要陡，如多晶刻蝕；對某些道次來說，則要求臺階要較緩，如引線孔刻蝕、通孔刻蝕等；臺階越陡，覆蓋能力越差，越緩，覆蓋能力越好；2、縱橫比（Aspectratio）：AR=heightoffeature/widthoffeature=h/w縱橫比越大，臺階越不易覆蓋。CompanyConfidential53顆粒：刻蝕過程中所產(chǎn)生的塵埃。越少越好，現(xiàn)在要求干法機臺小于50顆，濕法小于30顆。CompanyConfidential54等離子損傷：由于干法刻蝕刻蝕選擇性差，特別是物理刻蝕。損傷程度與刻蝕的等離子強度、選擇比、刻蝕時間等因素都有關?？山邮芩剑煌a(chǎn)品、不同的道次要求不一樣。比如當前我們有一個產(chǎn)品就不能采用干法刻蝕，因為下面有個光敏管，干法刻蝕的損傷會影響到其性能。CompanyConfidential55聚合物：聚合物能夠進行側壁保護，從而刻蝕出比較陡直的臺階形貌和降低CDLOSS，但太多的聚合物會使刻蝕速率降低，并在腔體及產(chǎn)品表面沉積。導致機臺PM的頻度提高，另外產(chǎn)品表面的聚合物如果未能有效去除干凈，會對產(chǎn)品性能和外觀產(chǎn)生不良影響，甚至失效。對聚合物的去除一般會采用專門的材料。CompanyConfidential56殘留物：殘留物指刻蝕后殘留在產(chǎn)品表面的反應副產(chǎn)物等，其去除不干凈同樣會影響到產(chǎn)品性能與外觀。干法刻蝕時，要求反應生成物應比較容易揮發(fā)。大家都知道，銅是一種非常好的金屬連線材料，但一直未在集成電路中廣泛應用，其中很重要的一點就是其刻蝕后的反應生成物難以去除。CompanyConfidential57五、刻蝕工藝常見控制方法1、點檢：是最基本，也是比較簡單與粗略的控制方法，通過對機臺一些可能影響到工藝的內容進行檢查，從而確認設備與工藝是否正常的方法。常用于對機臺及工藝進行初步與直觀的判定，比如設備的日常點檢。CompanyConfidential582、SPEC：對某些相對要求較高、影響因素較多的關鍵工藝參數(shù)，日常點檢正常并不能保證工藝正常。則除了要進行日常點檢外，還要進行SPEC控制，如刻蝕速率等。CompanyConfidential593、SPC：采用SPEC控制方法，最大的缺點是仍比較粗略，對某些關鍵參數(shù)，如果等到超出SPEC后再采取行動的話，往往有很多異常品已經(jīng)產(chǎn)生。SPC的最大優(yōu)點就是在異常發(fā)生之前，通過一些預警判斷，及時采取正確的行動，防止異常品產(chǎn)生。CompanyConfidential60六、工藝選擇的考慮因素1、精度要求：根據(jù)不同的尺寸要求不同的刻蝕方法、刻蝕機臺與刻蝕工藝，刻蝕工藝的確定要綜合考慮各個項目，如刻蝕速率、選擇比、刻蝕均勻性、CDLOSS、PROFILE等；2、成本與通量：在能夠滿足產(chǎn)品精度要求的情況下，應盡量降低成本與提高通量。我們的目的是用最簡單最經(jīng)濟的辦法生產(chǎn)出能夠滿足客戶需要的產(chǎn)品。CompanyConfidential61七、刻蝕工藝常見問題侵蝕：影響濕法腐蝕侵蝕的因素有：腐蝕液類型、腐蝕溫度、腐蝕時間、過腐蝕量、產(chǎn)品表面狀況（膠與材料的粘附性）、烘烤溫度、烘烤時間等；影響干法刻蝕侵