干法和湿法腐蚀讲稿.
干法和湿法腐蚀讲稿
离子轰击
• 等离子体附近的任何东西都会受到离子轰 击 • 对溅射，RIE和PECVD来说很重要 • 由RF功率来主要决定的 • 气压液影响离子轰击
离子轰击
• • • • • 电子移动比正离子快的多 电子先到达电极和腔体 电极被充成负电的,排斥电子和吸引正离子 在表面的电荷差异形成鞘层电压 鞘层电压加速正离子朝电极方向移动，导 致正离子轰击
• 硅片上较大的曝露区域和较小的曝露区域 的腐蚀速率是不同的 • 主要影响批腐蚀的工艺 • 在单片工艺上有较小的影响
负载效应: micro loading
• 较小的孔腐蚀速率相对于较大的孔的腐蚀 速率来说比较低 • 腐蚀物质比较难通过较小的孔 • 腐蚀的副产物更难扩散出来 • 较低的气体压力能使这个效应最小化 • 越大的平均自由程，对腐蚀物质要到达薄 膜表面以及腐蚀的副产物要出来就越容易
腐蚀的定义
• • • • 腐蚀工艺就是从表面除去材料 化学，物理，结合三种作用 选择性的或整体腐蚀 选择性腐蚀将IC设计的图象通过光刻胶转 移到硅片表面层上去
栅掩膜的对准
栅掩膜的曝光
显影、后烘、检查
腐蚀多晶
腐蚀多晶（续）
去胶
工艺流程
腐蚀的术语
• 腐蚀速率 • 选择比 • 腐蚀均匀性 • 腐蚀剖面 • 湿法腐蚀 • 干法腐蚀 • 反应离子腐蚀（RIE） • 终点
• 高腐蚀速率 • 各向异性的腐蚀剖面 • 光学的终点
硅片的冷却
• • • • • 离子轰击产生巨大的热 高温能导致光刻胶起皱 需要冷却硅片来控制温度 一般使用氦背冷 氦将热量从硅片到水冷却基座传输
终点
• 每个原子有自己的发射波长 • 当腐蚀不同材料时，等离子体的颜色会变 化 • 光学传感器能用来检测这个变化，为等离 子体腐蚀工艺显示终点
腐蚀工艺教程
腐蚀工艺教程（湿法清洗部分）一、什么是半导体?半导体是介于导体和绝缘体之间的物质,它的电阻率在10-3～109范围内。
自然界中属于半导体的物质很多，用于制造半导体的材料主要是硅(Si)、锗(Ge）、砷化镓（GaAs）。
纯净的半导体电阻率很高，几乎不导电。
但在特定的条件下，如光照、掺杂等，它的电阻率可以降到几十欧姆甚至更低，并且随掺入的杂质不同呈不同的导电特性。
我们分别称之为P(空穴导电)型半导体和N（电子导电）型半导体。
P型半导体和N型半导体相接触时,在接触面就形成了PN结。
PN结具有正向导通反向截止的特性,利用它可以制得常用的二极管。
在集成电路制造中，常用的衬底材料是硅单晶片，根据圆片加工过程中硅单晶切割的晶格方向的不同，可把它分为<100>和<111>等晶向。
在mos集成电路制造中,选用的是<100〉晶向的圆片。
二、什么是集成电路？不同导电类型的半导体组合在一起，可以做成二极管、三极管、电容、电阻，如果把这些元件做在同一块芯片上，完成一定的电路功能,就称之为集成电路。
集成电路可分为双极集成电路和MOS集成电路，MOS集成电路又可分为nMOS集成电路、pMOS集成电路和CMOS集成电路。
三、集成电路中的常用薄膜。
多晶硅常用在MOS器件中作为栅电极.也可用于高电阻的电阻器,及局部电路的短连线二氧化硅集成电路中使用的二氧化硅膜可分为热二氧化硅和CVD淀积二氧化硅两类。
在MOS集成电路中，它有以下几种用途:作为对付掺杂剂注入或扩散进硅的掩膜,提供表面钝化,使器件一部分与一部分隔离，作为MOS器件的一个组成部分（如栅介质），作为金属步线之间的电绝缘。
氮化硅能阻挡钠离子的扩散，几乎不透潮气并具有很低的氧化速率。
用低压CVD（LPCVD）方法淀积的氮化硅膜，主要用作平面工艺的氧化掩膜;用等离子淀积(PECVD)的氮化硅膜，能在较低温度下生成,可作为钝化保护层。
Al—Si-Cu用在集成电路中作为金属互连线。
刻蚀中湿法刻蚀机理
刻蚀中湿法刻蚀机理刻蚀⽅法分为：⼲法刻蚀和湿法刻蚀，湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进⾏腐蚀的技术，这是各向同性的刻蚀⽅法，利⽤化学反应过程去除待刻蚀区域的薄膜材料，通常SiO2采⽤湿法刻蚀技术，有时⾦属铝也采⽤湿法刻蚀技术，国内的苏州华林科纳在湿法这块做得⽐较好。
下⾯分别介绍各种薄膜的腐蚀⽅法流程：⼆氧化硅腐蚀：在⼆氧化硅硅⽚腐蚀机中进⾏，国内⽬前腐蚀机做的⽐较好的有苏州华林科纳，腐蚀液是由HF、NH4F、与H2O按⼀定⽐例配成的缓冲溶液。
腐蚀温度⼀定时，腐蚀速率取决于腐蚀液的配⽐和SiO2掺杂情况。
掺磷浓度越⾼，腐蚀越快，掺硼则相反。
SiO2腐蚀速率对温度最敏感，温度越⾼，腐蚀越快。
具体步骤为：1、华林科纳设备⼯程师认为将装有待腐蚀硅⽚的⽚架放⼊浸润剂（FUJI FILM DRIWEL）中浸泡10—15S，上下晃动，浸润剂（FUJI FILM DRIWEL）的作⽤是减⼩硅⽚的表⾯张⼒，使得腐蚀液更容易和⼆氧化硅层接触，从⽽达到充分腐蚀；2、将⽚架放⼊装有⼆氧化硅腐蚀液（氟化铵溶液）的槽中浸泡，上下晃动⽚架使得⼆氧化硅腐蚀更充分，腐蚀时间可以调整，直到⼆氧化硅腐蚀⼲净为⽌；3、冲纯⽔；4、甩⼲。
⼆氧化硅腐蚀机理为：H2SiF6（六氟硅酸）是可溶于⽔的络合物，利⽤这个性质可以很容易通过光刻⼯艺实现选择性腐蚀⼆氧化硅。
为了获得稳定的腐蚀速率，腐蚀⼆氧化硅的腐蚀液⼀般⽤HF、NH4F与纯⽔按⼀定⽐例配成缓冲液。
由于基区的氧化层较发射区的厚，以前⼩功率三极管的三次光刻（引线孔光刻）⼀般基极光刻和发射极光刻分步光刻，现在⼤部分都改为⼀步光刻，只有少部分品种还分步光刻，⽐如2XN003，2XN004，2XN013，2XP013等。
但是由于基区的氧化层⼀般⽐发射区的厚，所以刻蚀时容易发⽣氧化区的侵蚀。
⼆氧化硅腐蚀后检查：1、窗⼝内⽆残留SiO2（去胶重新光刻）；2、窗⼝内⽆氧化物⼩岛（去胶重新光刻）；3、窗⼝边缘⽆过腐蚀（去胶重新光刻）；4、窗⼝内⽆染⾊现象（报废）；5、氧化膜⽆腐蚀针孔（去胶重新光刻）；6、氧化膜⽆划伤等（去胶重新光刻）。
湿法腐蚀
比如阳极自停止腐蚀pn结自停止腐蚀异自停止腐蚀重掺杂自停止腐蚀无电极自停止腐蚀还有利用光电效应实现自停止腐蚀等等
湿法腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度 的腐蚀液体里进行的腐蚀。硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐 蚀方向上的腐蚀速度相等。比如化学抛光等等。常用的腐蚀液 是HF-HNO3腐蚀系统，一般在HF和HNO3中加H2O或者 CH3COOH。与H2O相比，CH3COOH可以在更广泛的范围 内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在使 用期内相当稳定。硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具 有不同的腐蚀速率。比如， {100}/{111}面的腐蚀速率比为 100：1。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样 的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂， 包括EPW（乙二胺，邻苯二酸和水）和联胺等。另一类是无 机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如：KOH，NaOH，LiOH， CsOH和NH4OH等。 在硅的微结构的腐蚀中，不仅可以利用各向异性腐蚀技术 控制理想的几何形状，而且还可以采用自停止技术来控制腐蚀 的深度。比如阳极自停止腐蚀、PN结自停止腐蚀、异质自停 止腐蚀、重掺杂自停止腐蚀、无电极自停止腐蚀还有利用光电 效应实现自停止腐蚀等等。
干法腐蚀工艺
干法腐蚀工艺培训讲义目录第零章前言第一章基本概念第二章干法腐蚀基本原理第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺第四章在线干法腐蚀设备结构/原理简介第五章干法腐蚀工艺中的终点检测第六章干法去胶第七章在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法第零章前言在集成电路制造工艺中，晶片经过曝光、显影后，在光刻胶上显示出集成电路图形，而刻蚀即利用显影后的光刻胶图形作掩蔽，在SIO2、SI3N4、金属膜、多晶硅等上刻蚀出与光刻胶图形相同的集成电路图形来。
随着集成电路的集成度不断提高，加工线宽越来越小，人们在追求“微细化”的过程中，进行了大量的研究工作，其中之一是曝光技术，其中之二是刻蚀技术。
光刻胶上的图形能作多精细，是由曝光技术所决定的，而光刻胶下的图形能作多精细，则是由刻蚀技术所决定的。
如果没有超精细曝光技术，当然谈不上刻出精细图形；同样，有了超精细的曝光技术，如果没有超精细的刻蚀技术与之匹配，精细加工同样不能实现，因此说，刻蚀技术也是微细加工技术最核心的工艺之一。
如图1.1所示。
1. 随着大规模集成电路的发展，对刻蚀精度要求越来越高。
对与刻蚀精度可用保真度、选择比、均匀性来衡量。
1.1 保真度，就是要求把光刻胶的图形准确地转移到其下的薄膜上，而没有失真，也就是，希望只有纵向刻蚀而没有横向刻蚀。
但实际上总有横向刻蚀，横向刻蚀量的大小，可用刻蚀因子来描述。
刻蚀因子定义为：刻蚀深度V 与横向刻蚀量X 之比，即刻蚀因子F=图1.1 刻蚀因子刻蚀因子F 越大，保真度越好。
1.2 选择比，就是要求刻蚀剂只刻蚀所要刻蚀的膜，而对其下的衬底，及其上的抗蚀剂无刻蚀。
实际上，在刻蚀薄膜的同时，对衬底和抗蚀剂也会有刻蚀的，只是刻蚀速率不同。
选择比就是用来描写刻蚀速率之比。
V ，对衬底刻蚀速率为U ，则选择比S= ，S 越大，说明选择比越好。
1.3 刻蚀均匀性。
4~8英寸，如果在硅大圆片上生长的薄膜厚度不均匀和各个部分刻蚀速率不均匀，都会导致刻蚀图形转移不均匀，造成有的地方刻蚀未净，另一些地方却刻蚀过度。
干法刻蚀 ppt课件
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目录
一、干蚀刻的定义 二、干蚀刻的原理 三、干蚀刻的模式 四、干蚀刻设备结构 五、干蚀刻制程腔的构造
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清洗 镀膜(PVD、CVD)
一、干蚀刻的定义
镀 下 一 层 膜
去光阻
去光阻液 (Stripper)
酸 气体
蚀刻 (Dry、Wet)
光罩
显影液
上光阻(Coater)
简单的说，干蚀刻：去掉不想要的薄膜，留下想要的。
干蚀刻一般用于 非金属膜的蚀刻
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二、干蚀刻的原理
什么是电浆？
加热
固体
加热
加电
液体
气体
电浆
正离子 电子
自由基 分子
电浆是除固、液、气外，物质存在的第四态。
它主要由电子、正离子、分子、自由基等组成，但其中正负电荷总数却处处
相等，对外显示电中性。这种状态的气体被称为电浆（Plasma）。
干蚀刻是以自由基为主，还是以正离子为主。是根据使用的不同分为2种： 物理性蚀刻 化学性蚀刻
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二、干蚀刻的原理
干蚀刻的方式
物理性蚀刻
化学性蚀刻
Plasma
Plasma
物理性蚀刻：是电浆中的正离子在电场的作用下加速。垂直轰击薄膜表面， 是非等向性的蚀刻（电场方向蚀刻速率较大）。
化学性蚀刻：是电浆中的自由基与薄膜发生化学反应，是等向性的蚀刻
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二、干蚀刻的原理
电浆中的碰撞
电浆中有两类碰 1.弹性碰撞 2.非弹性碰撞 弹性碰撞: 无能量交换，较常发生，但对蚀刻影响不大 非弹性碰撞: 能量交换，对蚀刻影响很大 主要反应方式有：
干法腐蚀工艺培训讲义汇总教材
干法腐蚀工艺培训讲义目录第一章基本概念第二章干法腐蚀基本原理第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺第四章在线干法腐蚀设备结构/原理简介第五章干法腐蚀工艺中的终点检测第六章干法去胶第七章在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法第一章基本概念1．WHAT IS ETCHED？A process for removing material in a specified area through chemicalreaction and/or physical bombardment.2. WHAT WE ETCHED?1)Dielectric (oxide,nitride,etc.)2)Silicide (polysilicon and silicide)3)Silicon(single crystal silicon)4)Metal(AL.Cu.Si)3. WHAT IS ETCH RATE?腐蚀速率是指所定义的膜被去除的速率，单位通常用UM/MIN，A/MIN 来表示。
4.E/R UNIFORMITY表示一个圆片中不同点腐蚀速率的差别（WITHIN A W AFER）或两个以上圆片片与片之间的腐蚀速率差异（W AFER TO W AFER。
）如：假定一个圆片片内测试了5个点，那就有5个速率值UNIFORMITY=（MAX ETCH RATE—MIN ETCH RATE）/2/（A VERAGE ETCH RATE）*100%5. SELECTIVITY是指两种不同膜的腐蚀速率比。
选择比反应腐蚀过程中主要被腐蚀膜对另一种膜的影响（光刻胶，衬底等）6. ISOTROPY---各向同性腐蚀速率在纵向和横向上相同。
7．ANISOTROPY---各向异性腐蚀速率在纵向和横向上不一样。
8．CD---（CRITICAL DIMENSIONS）关键尺寸CD LOSS---条宽损失9．LOADING---负载效应MICROLOADING（微负载效应）---不同的孔尺寸或纵深比例对腐蚀速率和选择比的影响。
干法腐蚀工艺培训讲义
干法腐蚀工艺培训讲义目录第一章基本概念第二章干法腐蚀基本原理第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺第四章在线干法腐蚀设备结构/原理简介第五章干法腐蚀工艺中的终点检测第六章干法去胶第七章在线腐蚀工艺中常见异常及处理法第一章基本概念1．WHAT IS ETCHED？A process for removing material in a specified area through chemicalreaction and/or physical bombardment.2. WHAT WE ETCHED?1)Dielectric (oxide,nitride,etc.)2)Silicide (polysilicon and silicide)3)Silicon(single crystal silicon)4)Metal(AL.Cu.Si)3. WHAT IS ETCH RATE?腐蚀速率是指所定义的膜被去除的速率，单位通常用UM/MIN，A/MIN 来表示。
4.E/R UNIFORMITY表示一个圆片中不同点腐蚀速率的差别（WITHIN A WAFER）或两个以上圆片片与片之间的腐蚀速率差异（WAFER TO WAFER。
）如：假定一个圆片片测试了5个点，那就有5个速率值UNIFORMITY=（MAX ETCH RATE—MIN ETCH RATE）/2/（AVERAGE ETCH RATE）*100%5. SELECTIVITY是指两种不同膜的腐蚀速率比。
选择比反应腐蚀过程中主要被腐蚀膜对另一种膜的影响（光刻胶，衬底等）6. ISOTROPY---各向同性腐蚀速率在纵向和横向上相同。
7．ANISOTROPY---各向异性腐蚀速率在纵向和横向上不一样。
8．CD---（CRITICAL DIMENSIONS）关键尺寸CD LOSS---条宽损失9．LOADING---负载效应MICROLOADING（微负载效应）---不同的尺寸或纵深比例对腐蚀速率和选择比的影响。
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铝的湿法腐蚀
• • • • 加热溶液 (42 to 45℃) 例: 80%磷酸, 5%乙酸, 5%硝酸,和10 %水 硝酸氧化铝，同时磷酸剥离铝的氧化物 乙酸减缓硝酸的氧化
影响湿法腐蚀速率的因素
• 温度 • 化学试剂的浓度 • 要被腐蚀薄膜的成分
湿法的化学危害性
• HF 、H3PO3 、HNO4 • 腐蚀性的 • 氧化剂
基本的湿法腐蚀步骤
甩干 腐蚀
湿法腐蚀
• 纯粹的化学过程，各向同性的剖面 • 广泛使用在特征尺寸大于3um的IC产业中 • 仍就使用在先进的IC厂里 – 硅片清洗 – 整个薄膜的剥离
湿法腐蚀的剖面
• 不能使用在特征尺寸小于3um的工艺上 • 被等离子体腐蚀所代替
湿法腐蚀的应用
• 湿法腐蚀不能使用在CD<3um的腐蚀中 • 高选择比 • 湿法腐蚀广泛用在薄膜剥离工艺中,例如SiN 的剥离和Ti的剥离等. • 也广泛使用在CVD薄膜质量控制中(BOE) • 测试硅片的剥离，清洗，重新使用Βιβλιοθήκη Micro loading
Profile Micro Loading
过腐蚀
• • • • 薄膜的厚度和腐蚀速率都是不同的 过腐蚀：除去这些残留的薄膜 要被腐蚀的薄膜和下层的选择比 RIE（反应离子腐蚀）使用光学的终点来达 到从主腐蚀到过腐蚀的转换
开始腐蚀工艺
主腐蚀的终点
过腐蚀之后
残留物
等离子体的组成
• 等离子体由中性原子或分子, 负电荷 (电子) 和正电荷 (正离子) • 电离:
电离率
• 电离率主要由等离子体中的电子能量决定 • 在大部分等离子体工艺腔体中,电离率小于 0.001%. • 高密度等离子体（HDP)电离率很高，大约 是1％ • 在太阳核中电离率是～100％
平均自由程 (MFP)
湿法腐蚀硅和多晶硅
• 硅腐蚀通常使用HNO3和HF的混合液 • HNO3 氧化硅，同时HF剥离二氧化硅 • 去离子水或者乙酸能用来稀释腐蚀溶液， 以及减小腐蚀速率 Si + 2HNO3 + 6HF → H2SiF6 + 2HNO2 + 2H2O
氮化硅的湿法腐蚀
• 热磷酸溶液(150 to 200 °C) • 对二氧化硅有高选择比 • 使用在LOCOS和STI的SiN剥离中 Si3N4 + 4 H3PO4→ Si3(PO4)4 + 4NH3
• 不希望的残留物 • 原因 – 过腐蚀不够充分 – 腐蚀副产物不挥发
过腐蚀不充分
表面上不挥发的副产物
残留物
• 适当的过腐蚀 • 不挥发的残留物的清除 – 足够的离子轰击来清除 – 适当的化学腐蚀来除去 • 氧气等离子体去胶: 有机残留物 • 湿法化学清洗: 无机残留物
湿法腐蚀
湿法腐蚀
• 化学的解决方法来溶解硅片表面上的物质 • 副产物是气体，液体或可溶在腐蚀溶液中 的物质 • 三个基本步骤：腐蚀，漂洗，甩干
最大-最小的均匀性
• 腐蚀的不均匀性可以通过下面的等式（叫 做最大－最小均匀性）来计算
选择比
• 选择比是不同材料的腐蚀速率之比 • 在图形腐蚀方面很重要 • 选择比是对下层薄膜和对光刻胶
选择比
选择比
Etch Profiles
Etch Profiles
负载效应: macro loading
二氧化硅的湿法腐蚀
• HF酸溶液 • 通常在缓冲溶液中稀释或者用去离子水来 减小腐蚀速率 SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O • 广泛使用在CVD薄膜质量控制中 • BOE: Buffered oxide etch • WERR: wet etch rate ratio
Wide Glass Contact
湿法的化学危害性
• • • • HF 当接触时不能去触摸 剧烈疼痛 在IC生产线上要像HF酸一样对待所有不明 液体
湿法腐蚀的优点
• 高选择比 • 相对来说不是很贵的设备 • 批处理系统, 高产能
湿法腐蚀的缺点
• 各向同性的剖面 • 不能用在图形的特征尺寸小于3um中 • 高化学性的使用 • 化学危害性 – 对液体来说直接曝露 – 对气体（烟）直接和间接曝露 – 爆炸的潜在性
腐蚀的定义
• • • • 腐蚀工艺就是从表面除去材料 化学，物理，结合三种作用 选择性的或整体腐蚀 选择性腐蚀将IC设计的图象通过光刻胶转 移到硅片表面层上去
栅掩膜的对准
栅掩膜的曝光
显影、后烘、检查
腐蚀多晶
腐蚀多晶（续）
去胶
工艺流程
腐蚀的术语
• 腐蚀速率 • 选择比 • 腐蚀均匀性 • 腐蚀剖面 • 湿法腐蚀 • 干法腐蚀 • 反应离子腐蚀（RIE） • 终点
• 一个粒子在同其它粒子碰撞前能行进的距 离
• n 是粒子密度 • σ是粒子的碰撞截面
平均自由程 (MFP)
• 气压的影响:
• 气压越高,MFP越短 • 气压越低,MFP越长
真空和等离子体
• 气体太高, MFP会太短 • 电离通常需要至少15 eV • 如果MFP太短，那么电子就不能得到足够 的能量来电离 • 需要真空和RF来开始和维持稳定的等离子 体
等离子体腐蚀
介绍
• 气体进，气体出 • 等离子体产生自由基团和正离子轰击 • RIE (反应离子腐蚀) —化学和物理结合的腐蚀 • 大部分图形腐蚀是RIE腐蚀
湿法腐蚀和干法腐蚀的比较
等离子体基础
• 等离子体是带相等数量的正、负电荷的离 子化气体 • 三中重要的碰撞: – 离子化产生和维持等离子体 – 激发－减弱导致等离子体发光 – 分离创造了可反应的自由基团
腐蚀速率
• 腐蚀速率用这种材料从硅片表面被腐蚀有 多快来衡量
腐蚀速率
腐蚀均匀性
• 腐蚀均匀性用片内和片间的工艺可重复性 来衡量 • 厚度测量测的是不同点的腐蚀之前和腐蚀 之后 • 越多的测量电,越高的准确性 • 通常使用的是标准偏差定义 • 不同的定义给出不同的结果
标准偏差的非均匀性
• N 个点的测量
• 硅片上较大的曝露区域和较小的曝露区域 的腐蚀速率是不同的 • 主要影响批腐蚀的工艺 • 在单片工艺上有较小的影响
负载效应: micro loading
• 较小的孔腐蚀速率相对于较大的孔的腐蚀 速率来说比较低 • 腐蚀物质比较难通过较小的孔 • 腐蚀的副产物更难扩散出来 • 较低的气体压力能使这个效应最小化 • 越大的平均自由程，对腐蚀物质要到达薄 膜表面以及腐蚀的副产物要出来就越容易