第七讲 刻蚀PPT讲稿.ppt

第七讲 刻蚀第1页，共48页，编辑于2022年，星期二光刻/掩膜版制作工艺流程第2页，共48页，编辑于2022年，星期二第3页，共48页，编辑于2022年，星期二图形刻蚀技术图形刻蚀技术去胶去胶显影（第显影（第 1 次图形转移）次图形转移）刻蚀（第刻蚀（第 2 次图形转移）次图形转移）选择曝光选择曝光第4页，共48页，编辑于2022年，星期二刻蚀刻蚀 在完成显影检验后，掩膜版的图形就被固定在光刻胶膜上并准备刻蚀。经过刻蚀图形就永久留在晶圆的表层。刻蚀工艺分为两大类：湿法湿法和和干法干法刻蚀。无论那一种方法，其目的都是将光刻掩膜版上的图形精确地转移到晶圆表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。光刻胶被刻蚀材料(a)有光刻胶图形的衬底(b)刻蚀后的衬底光刻胶被保护层第5页，共48页，编辑于2022年，星期二刻蚀技术刻蚀技术湿法湿法干法干法化学刻蚀化学刻蚀电解刻蚀电解刻蚀离子束溅射刻蚀（物理作用）离子束溅射刻蚀（物理作用）等离子体刻蚀（化学作用）等离子体刻蚀（化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）第6页，共48页，编辑于2022年，星期二刻蚀参数刻蚀参数刻蚀剂浓度、表面几何形貌刻蚀剂浓度、表面几何形貌第7页，共48页，编辑于2022年，星期二刻蚀剖面第8页，共48页，编辑于2022年，星期二第9页，共48页，编辑于2022年，星期二刻蚀偏差第10页，共48页，编辑于2022年，星期二刻蚀选择比第11页，共48页，编辑于2022年，星期二第12页，共48页，编辑于2022年，星期二第13页，共48页，编辑于2022年，星期二干法刻蚀原理第14页，共48页，编辑于2022年，星期二干法刻蚀机理自由基、反自由基、反应原子应原子带电粒子带电粒子第15页，共48页，编辑于2022年，星期二第16页，共48页，编辑于2022年，星期二 6-1 湿法化学刻蚀湿法化学刻蚀 一、湿法刻蚀一、湿法刻蚀 优点：优点：1、应用范围广，适用于几乎所有材料。、应用范围广，适用于几乎所有材料。2、选择性强，易于光刻胶的掩蔽和刻蚀终点的控制。、选择性强，易于光刻胶的掩蔽和刻蚀终点的控制。3、简单易行，成本低，适宜于大批量加工。、简单易行，成本低，适宜于大批量加工。缺点：缺点：1、一般为各向同性腐蚀，容易出现侧向钻蚀。、一般为各向同性腐蚀，容易出现侧向钻蚀。2、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条。、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条。3、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。第17页，共48页，编辑于2022年，星期二 常用的腐蚀液举例：常用的腐蚀液举例：1、SiO2 腐蚀液：腐蚀液：BHF：28ml HF+170 ml H2O+113g NH4F 2、Si 腐蚀液：腐蚀液：Dash etch:1ml HF+3ml HNO3+10ml CH3COOH Sirtl etch:1ml HF+1ml CrO3 (5M水溶液水溶液)Silver etch:2ml HF+1ml HNO3+2ml AgNO3（0.65M水溶液），水溶液），（用于检测外延层缺陷）（用于检测外延层缺陷）Wright etch:60ml HF+30ml HNO3+60ml CH3COOH+60ml H2O+30ml CrO3(1g in 2ml H2O)+2g(CuNO3)23H2O，（此腐蚀液可，（此腐蚀液可长期保存）长期保存）第18页，共48页，编辑于2022年，星期二 3、Si3N4 腐蚀液：腐蚀液：HF、H3PO4(180oC)4、GaAs 腐蚀液：腐蚀液：1ml HF+2ml H2O+8mg AgNO3+1g CrO3 H2SO4+H2O2+H2O NH4OH+H2O2+H2O第19页，共48页，编辑于2022年，星期二 5、Al 腐蚀液：腐蚀液：4ml H3PO4+1ml HNO3+4ml CH3COOH+1ml H2O，（35 nm/min）0.1M K2Br4O7+0.51M KOH+0.6M K3Fe(CN)6，（1 m/min，腐蚀时不产生气泡），腐蚀时不产生气泡）6、Au 腐蚀液：腐蚀液：王水：王水：3ml HCl+1ml HNO3，（，（25 50 m/min）4g KI+1g I+40ml H2O（0.5 1 m/min，不损伤光刻胶），不损伤光刻胶）第20页，共48页，编辑于2022年，星期二衬底膜胶湿法湿法刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀 最原始的刻蚀工艺，就是将晶圆沉浸于装有刻蚀液的槽中经过一定的时间，再传送到冲洗设备中除去残余的酸（刻蚀液）在进行最终的冲洗和甩干。此工艺只能用于特征尺寸大于3m的产品，小于3m的产品由于控制和精度的需要一般使用干法刻蚀了。刻蚀的一致性和工艺控制由附加的加热和搅动设备来提高，常用的是带有超声波的刻蚀槽。刻蚀液的选择要求具有良好的选择性，即在刻蚀时要有均匀去掉晶圆表层而又不伤及下一层的材料。刻蚀时间是一个重要的工艺参数，最短时间是保证彻底、干净的均匀刻蚀；而最长时间受限于光刻胶在晶圆表面的粘结时间。湿法各向同性化学腐蚀层（各向同性刻蚀是在各个方向上以同样的速度进行刻蚀）第21页，共48页，编辑于2022年，星期二刻蚀工艺中容易出现的问题：过刻蚀、内切、选择性和侧边的各向异性/各向同性刻蚀。不完全刻蚀不完全刻蚀 是指表面层刻蚀不 彻底，如图所示。产生的原因：太短的刻蚀时间；薄厚不均匀的待刻蚀层；过低的刻蚀温度。过刻蚀和底切过刻蚀和底切 与不完全刻蚀相反，不过通常是有意识的过刻蚀，因为恰到好处是很难做到的。理想的刻蚀应该是形成垂直的侧边，产生这种理想结果的刻蚀技术叫做各向异性刻蚀。然而，刻蚀总是在各个方向同时进行的，这样就避免不了在侧面形成一个斜面，这种现象称为底切。刻蚀的目标是把这种底切控制在一个可以接受的范围内。由于这种底切的存在，在电路设计时必须考虑（即各器件之间留有余量以防止电路短路）。彻底解决底切的方法是采用等离子体刻蚀。第22页，共48页，编辑于2022年，星期二干法干法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀 对于小尺寸湿法刻蚀的局限性前面已经提到，主要包括：局限于3m以上的图形尺寸；各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡；要求冲洗和干燥步骤；潜在地污染；光刻胶粘结力失效导致底切。基于这些原因，干法刻蚀主要用于先进电路的小尺寸精细刻蚀中。干法刻蚀是指以气体为主要媒体的刻蚀技术，晶圆不需要液体化学品或冲洗，刻蚀过程在干燥的状态进出系统。第23页，共48页，编辑于2022年，星期二干法刻蚀与湿法刻蚀相比的优点：刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的恻壁剖面控制；好的CD控制；最小的光刻胶脱落或黏附问题；好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性；较低的化学制品使用和处理费用。第24页，共48页，编辑于2022年，星期二等离子体等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包括中性原子或分子、带电离子和自由电子。当从中性原子中去除一个价电子时，形成正离子和自由电子。例如，当原子结构内的原子和电子数目相等时氟是中性的，当一个电子从它的核内分离出去后氟就离子化了（见下图）。在一个有限的工艺腔内，利用强直流或交流磁场或用某些电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化。第25页，共48页，编辑于2022年，星期二离子的形成 F +9离子是质子（）与电子（）数不等的原子电子从主原子中分离出来.少一个电子的氟原子到原子失去一个电子时产生一个正离子 F +9具有质子（9）和电子（9）数目相等地中性粒子是原子氟原子总共有7个价电子价层环最多能有8个电子价层电子（）内层电子（）在原子核中的质子（未显示电子）等离子体刻蚀等离子体刻蚀 第26页，共48页，编辑于2022年，星期二 选择离子的原则：选择离子的原则：令令 ，可得，可得 ，且，且 ，这时靶原子可获，这时靶原子可获得最大能量，即得最大能量，即：。所以为获得最好的溅射效果，应选择入射。所以为获得最好的溅射效果，应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子。离子使其质量尽可能接近靶原子。1、质量、质量 质量为质量为 M2 的靶原子从质量为的靶原子从质量为 M1 的入射离子所获得的能量为：的入射离子所获得的能量为：第27页，共48页，编辑于2022年，星期二 2、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小。、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小。3、容易获得。、容易获得。例如，若要对例如，若要对 SiO2 进行溅射加工，根据要求进行溅射加工，根据要求 2 与要求与要求 3，入射离子，入射离子应在较为容易获得的惰性气体离子应在较为容易获得的惰性气体离子 Ar+、Kr+和和 Xe+中选择，又因中选择，又因 Si 原原子和子和 O2 分子的原子量分别是分子的原子量分别是 28 和和 32，而，而 Ar+、Kr+和和 Xe+的原子量的原子量分别是分别是 40、84 和和 131，所以采用，所以采用 Ar+离子的效果是最好的。离子的效果是最好的。第28页，共48页，编辑于2022年，星期二 相对溅射率：在单位离子束相对溅射率：在单位离子束电流密度下，单位时间内加工表电流密度下，单位时间内加工表面的减薄量，记为面的减薄量，记为 二、溅射率与入射角的关系二、溅射率与入射角的关系 入射角：靶平面法线与入射离子束的夹角，记为入射角：靶平面法线与入射离子束的夹角，记为 。溅射率：由一个入射离子所溅射出来的原子或分子的数目，也称溅射率：由一个入射离子所溅射出来的原子或分子的数目，也称为溅射产率，记为为溅射产率，记为 S。溅射率。溅射率 S 是入射角是入射角 的函数。的函数。式中，式中，n 为被溅射材料的原为被溅射材料的原子密度。子密度。第29页，共48页，编辑于2022年，星期二第30页，共48页，编辑于2022年，星期二第31页，共48页，编辑于2022年，星期二硅片的等离子体刻蚀过程 8)副产物去除 1)刻蚀气体进入反应室衬底刻蚀反应室 2)电场使反应物分解 5)反应离子吸附在表面 4)反应正离子轰击表面 6)原子团和表面膜的表面反应排气气体传送RF 发生器副产物 3)电子和原子结合产生等离子体 7)副产物解吸附阴极阳极电场ll各向异性刻蚀各向同性刻蚀第32页，共48页，编辑于2022年，星期二第33页，共48页，编辑于2022年，星期二圆桶式等离子体刻蚀机 早期的离子体系统被设计成圆柱形的（如图），在0.11托的压力下具有几乎完全的化学各向同性刻蚀，硅片垂直、小间距地装在一个石英舟上。射频功率加在圆柱两边的电极上。第34页，共48页，编辑于2022年，星期二平板（平面）等离子体刻蚀机 平板（平面）等离子体刻蚀机有两个大小和位置对称的平行金属板，一个硅片背面朝下放置于接地的阴极上面，RF信号加在反应器的上电极。由于等离子体电势总是高于地电势，因而是一种带能离子进行轰击的等离子体刻蚀模式。相对于桶形刻蚀系统，具有各向异性刻蚀的特点，从而可得几乎垂直的侧边。另外，旋转晶圆盘可增加刻蚀的均匀性。该系统可设计成批量和单个晶圆反应室设置。单个晶圆系统因其可对刻蚀参数精密控制，以得到均匀刻蚀而受到欢迎。第35页，共48页，编辑于2022年，星期二平板等离子体刻蚀第36页，共48页，编辑于2022年，星期二粒子束刻蚀粒子束刻蚀 粒子束刻蚀也是干法刻蚀的一种，与化学等离子体刻蚀不同的是粒子束刻蚀是一个物理工艺。如图所示，晶圆在真空反应室内被置于固定器上，并且向反应室导入氩气流。氩气进入反应室便受到从一对阴阳极来的高能电子束流的影响。电子将氩原子离子化成带正电荷的高能状态。由于晶圆位于接负极的固定器上，从而氩离子便被吸向固定器。在移动的同时被加速以提高能量。在晶圆表面上它们轰击进入暴露的晶圆层并从晶圆表面炸掉一小部分从而达到刻蚀的目的。第37页，共48页，编辑于2022年，星期二优点优点：刻蚀的方向 性非常好（属于各 向异性），非常适 合高精度的小开口 区域刻蚀缺点：缺点：选择性差，存在离子化形成的 辐射损害。粒子束轰击示意图第38页，共48页，编辑于2022年，星期二第39页，共48页，编辑于2022年，星期二第40页，共48页，编辑于2022年，星期二第41页，共48页，编辑于2022年，星期二第42页，共48页，编辑于2022年，星期二第43页，共48页，编辑于2022年，星期二干法刻蚀中光刻胶的影响干法刻蚀中光刻胶的影响 对于湿法和干法刻蚀两种工艺，图形保护层是光刻胶层。在湿法刻蚀中对光刻胶层几乎没有来自刻蚀剂的刻蚀。然而在干法刻蚀中，残余的氧气会刻蚀光刻胶层。因此光刻胶层必须保证足够的厚度以应付刻蚀剂的刻蚀而不至于变薄出现空洞。另一个与光刻胶相关的干法刻蚀问题是光刻胶烘焙。在干法刻蚀反应室内，温度可升到200，这样的温度可把光刻胶烘焙到一个难于从晶圆表面去除的状态，还有就是高温下光刻胶的流动倾向会使图形变差。第44页，共48页，编辑于2022年，星期二光刻胶的去除光刻胶的去除 刻蚀工艺完成后，作为刻蚀阻挡层的光刻胶已经完成任务，必须从表面去掉。传统的方法是用湿法化学工艺去除，尽管有一些问题，湿法去除在前线工艺还是经常采用的一种方法（特别是硅片表面和MOS栅极暴露并易于受到等离子体中氧气离子的损伤）。另一种是干法的等离子体去除，在后线工艺中经常采用（此时硅片和MOS栅极已经被绝缘和金属层覆盖）。湿法去除有许多不同的化学品被由于去除工艺，其选择依据是晶圆表层、产品考虑、光刻胶极性和光刻胶的状态（见下图）。第45页，共48页，编辑于2022年，星期二湿法光刻胶去除表优点：优点：成本有效性好；可有效去除金属离子；低温工艺并且不会将晶圆暴露于可能的损伤性辐射。第46页，共48页，编辑于2022年，星期二无金属表面的湿法化学去除无金属表面的湿法化学去除 硫酸和氧化剂溶液 是最常用的去除无金属表面光刻胶的去除剂。无金属表面是指二氧化硅、氮化硅或多晶硅。此溶液可去除负光刻胶和正光刻胶。有金属表面的湿法化学去除有金属表面的湿法化学去除 因为金属会受到侵蚀和氧化，所以有金属表面去除光刻胶相对比较困难。有三种类型的液体化学品可供使用：酚有机去除剂 溶液/胺去除剂 特殊湿法去除剂干法去胶 同刻蚀一样，等离子体工艺也可用于光刻胶去除。将晶圆放置于反应室中并通入氧气，等离子场把氧气激发到高能状态，从而将光刻胶成分第47页，共48页，编辑于2022年，星期二 氧化为气体再由真空泵从反应室吸走。反应式如下：优点：优点：操作方便，效率高，表面干净无划痕。缺点：缺点：不能有效去除金属离子，高能等离子体 场对电路的辐射损伤。离子注入后的等离子体去胶离子注入后的等离子体去胶 离子注入后会导致强烈的光刻胶聚合并使表面硬化。一般用干法工艺去除或减少光刻胶，然后再加以湿法工艺。第48页，共48页，编辑于2022年，星期二