圖形刻蝕技術

1、圖形刻蝕技術ImplantDiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompleted waferUnpatterned waferWafer startThin FilmsWafer fabrication (front-end) 問題：問題： 常見的刻蝕對象：SiO2、Si3N4、Poly-Si、磷硅玻璃、鋁或鋁合金、襯底材料等 即：金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕、硅（半導體）刻即：金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕、硅（半導體）刻蝕蝕Photoresist maskFilm to be etched(a) Photoresist-patterned substrate(b) Substrat

2、e after etchPhotoresist maskProtected filmType of EtchSidewall ProfileDiagramWet EtchIsotropicIsotropic(depending onequipment ¶meters)Anisotropic(depending onequipment ¶meters)Anisotropic TaperDry EtchSilicon TrenchEtch Bias、 Undercut 、 Slope and Overetch(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaUndercu

3、tSubstrateResistFilmOveretchS = EfErEfNitrideOxideEr選擇比：選擇比：SEf=被刻蝕材料的刻蝕速率被刻蝕材料的刻蝕速率Er=掩蔽層材料的刻蝕速率掩蔽層材料的刻蝕速率 對刻蝕的基本要求：對刻蝕的基本要求： 圖形的高保真：橫向腐蝕和各向異性腐蝕 刻蝕剖面： 選擇比：光刻膠和不同材料的腐蝕速度 關鍵尺寸（CD）控制 均勻性：小線條和大硅片 清潔：殘渣沾污 損傷： 7.1.濕法腐蝕：即，化學腐蝕(S11.1) 8.1.1 腐蝕液： SiO2：HF:NH4F:H2O=3毫升：毫升：6克：克：10毫升毫升（36C） Al：H2PO4、7080 C、乙醇稀釋

4、、乙醇稀釋 Si3N4：H2PO4、 H2PO4：HNO3=3：1 （ SiO2膜）膜） HF （Cr膜）膜） 其它其它定向腐蝕定向腐蝕(P265263) 7.1.2 刻蝕中的質(zhì)量問題： 圖形畸變：曝光時間、顯影時間、刻蝕速度 浮膠：粘附、前烘時間、曝光時間、 顯影時間、刻蝕速度、腐蝕液 毛刺和鉆蝕：清潔、顯影時間、腐蝕液 針孔：膜厚不足、曝光不足、清潔、掩膜版 小島：曝光、清潔、濕法顯影、掩膜版 濕法腐蝕工藝的特點：濕法腐蝕工藝的特點：速度快，成本底，精度不高。 7.2. 干法腐蝕：即，等離子刻蝕 Section 11.3 （重點閱讀）（重點閱讀） 7.2.1. 原理和特點： 是一種物理-化

5、學刻蝕； 是一種選擇性很強的刻蝕 在低壓中進行，污染小 與去膠工藝同時進行 表面損傷置入等離子場中的分子因等離子能量的激勵生成了性的置入等離子場中的分子因等離子能量的激勵生成了性的游離基分子、原子，以這些活性游離基分子、原子引起游離基分子、原子，以這些活性游離基分子、原子引起的化學反應，形成揮發(fā)性產(chǎn)物，而使被蝕物剝離去掉。的化學反應，形成揮發(fā)性產(chǎn)物，而使被蝕物剝離去掉?；钚杂坞x基分子、原子不受電場影響，因而各向同性?；钚杂坞x基分子、原子不受電場影響，因而各向同性。RF裝置：裝置：Roots pumpProcess gasesExhaustGas- flow controllerPressure

6、 controllerGas panelRF generatorMatching networkMicrocontroller Operator InterfaceGas dispersion screenElectrodesEndpoint signalPressure signalRoughingpumpWafer F基刻蝕原理：（基刻蝕原理：（SiO2為例）為例） CF4 2F+CF2 （游離基）（游離基） SiO2+4F SiF4+2O SiO2+2CF2 SiF4+2CO Cl基基 等離子激發(fā)等離子激發(fā) 8) By-product removal 1) Etchant gases e

7、nter chamberSubstrateEtch process chamber 2) Dissociation of reactants by electric fields 5) Adsorption of reactive ions on surface 4) Reactive +ions bombard surface 6) Surface reactions of radicals and surface filmExhaustGas deliveryRF generatorBy-products 3) Recombination of electrons with atoms c

8、reates plasma 7) Desorption of by-productsCathodeAnodeElectric fieldllAnisotropic etchIsotropic etch 氧的作用：加快 氫的作用：減慢 高分子生成：刻蝕速度、選擇性 反應氣體：CF4、CHF3、CF6See Table 11.3InGaAs刻蝕仿真刻蝕前結(jié)構(gòu)PIN結(jié)構(gòu)。10um厚的本征InP襯底，在襯底上生長3um厚的摻雜Si濃度為21018的InP層（N），然后再淀積3um厚的Si摻雜41016的n,InGaAs，InGaAs中In的組分為0.53。上層淀積1um厚的InP，摻雜為21018（P

9、）?？涛g阻擋層采用Si3N4，厚度1um。Rate.Etch Machine=PEMach Plasma Pressure = 3.75 Tgas = 300.0 Tion = 3000.0 Vpdc = 32.5 Vpac = 32.5 Lshdc = 0.005 Lshac = 0.0 Freq = 13.56 Nparticles = 4000 Mgas = 40.0 Mion = 40.0 Constant Energy.Div = 50 Qio = 1.7e-19 Qcht = 2.1e-19# Define the plasma etch parameters for InGaAs

10、Rate.Etch Machine=PEMach Plasma Material=InGaAs k.i = 1.1 k.f= k.d=等離子體刻蝕中可以改變的參數(shù)及默認值等離子體腔及刻蝕等離子體腔及刻蝕氣體的物理特性氣體的物理特性刻蝕氣體的化學特性刻蝕氣體的化學特性PRESSURE= 定義等離子體刻蝕機反應腔的壓強TGAS= 定義等離子體刻蝕機反應腔中氣體的溫度TION= 定義等離子體刻蝕機反應腔中離子的溫度VPDC= 等離子體外殼的DC偏壓VPAC= 等離子外殼和電珠之間的AC電壓LSHDC= 外殼的平均厚度LSHAC= 外殼厚度的AC組成FREQ= AC電流的頻率NPARTICLES= 用

11、蒙托卡諾計算來自等離子體的離子流的顆粒數(shù)MGAS= 氣體原子的原子質(zhì)量MION= 等離子體離子的原子量(CHILD.LANGM|COLLISION|LINEAR|CONSTANT)計算等離子體外殼的電壓降的模型，默認為CONSTANTMAX.IONFLUX=IONFLUX.THR=K.I= 定義等離子體刻蝕速率的線性系數(shù)K.F #定義化學流相關的等離子刻蝕速率K.D #定義淀積流量相關的等離子體刻蝕速率各參數(shù)的意義：改變刻蝕腔壓強刻蝕腔壓強越大，刻蝕速率變小、刻蝕效果也變差?？涛g腔壓強越大，刻蝕速率變小、刻蝕效果也變差。 這從離子的能量角度分布中也可以得出結(jié)論這從離子的能量角度分布中也可以得出

12、結(jié)論改變氣體溫度刻蝕腔中氣體的溫度高時刻蝕剖面要好，但影響較小刻蝕腔中氣體的溫度高時刻蝕剖面要好，但影響較小改變離子溫度離子溫度低時刻蝕效果要好，但刻蝕速率幾乎不變離子溫度低時刻蝕效果要好，但刻蝕速率幾乎不變改變ac偏壓ACAC偏壓變化時，刻蝕體現(xiàn)不出差別偏壓變化時，刻蝕體現(xiàn)不出差別改變dc偏壓DCDC偏壓大時刻蝕效果要好，刻蝕速率幾乎不變偏壓大時刻蝕效果要好，刻蝕速率幾乎不變改變等離子體刻蝕速率的線性部分等離子體刻蝕速率的等離子體刻蝕速率的線性線性系數(shù)與刻蝕速率成線性系數(shù)與刻蝕速率成線性改變刻蝕腔壓強時的刻蝕剖面改變刻蝕腔壓強對離子的能量角度分布的影響壓強較小時，離子的方向性要好壓強較小時，

13、離子的方向性要好各向異性刻蝕Section 11.3 （重點閱讀）（重點閱讀） 反應離子刻蝕（反應離子刻蝕（RIE）Reactive Ion Etch與前面的等離子刻蝕相比，與前面的等離子刻蝕相比，等離子體的激勵增大，反應氣體發(fā)生了電子等離子體的激勵增大，反應氣體發(fā)生了電子從原子脫離出去的正離子化，成為離子和游從原子脫離出去的正離子化，成為離子和游離基分子、原子混在一起的狀態(tài)。先是游離離基分子、原子混在一起的狀態(tài)。先是游離基分子、原子被吸附在待蝕物上產(chǎn)生反應產(chǎn)基分子、原子被吸附在待蝕物上產(chǎn)生反應產(chǎn)物，離子在電場中加速并向基片垂直轟擊，物，離子在電場中加速并向基片垂直轟擊，加快反應產(chǎn)物的脫離，且

14、在待蝕物上形成損加快反應產(chǎn)物的脫離，且在待蝕物上形成損傷傷吸附活性點，加快底部刻蝕速率，實現(xiàn)吸附活性點，加快底部刻蝕速率，實現(xiàn)各向異性刻蝕。各向異性刻蝕。Reactive +ions bombard surfaceSurface reactions of radicals + surface filmDesorption of by-productsAnisotropic etchIsotropic etchSputtered surface materialChemical EtchingPhysical EtchingChemical Versus Physical Dry Plasma

15、EtchingEtch ParameterPhysical Etch(RF fieldperpendicularto wafersurface)Physical Etch(RF fieldparallel towafer surface)Chemical EtchCombinedPhysical andChemicalEtch MechanismPhysical ionsputteringRadicals inplasma reactingwith wafersurface*Radicals inliquid reactingwith wafersurfaceIn dry etch,etchi

16、ng includesion sputteringand radicalsreacting withwafer surfaceSidewall ProfileAnisotropicIsotropicIsotropicIsotropic toAnisotropicSelectivityPoor/difficultto increase(1:1)Fair/good (5:1to 100:1)Good/excellent(up to 500:1)Fair/good(5:1 to 100:1)Etch RateHighModerateLowModerateCD ControlFair/goodPoor

17、Poor to non-existentGood/excellent* Used primarily for stripping and etchback operations. 工藝控制工藝控制 RF功率測量與控制功率測量與控制 真空測量與控制真空測量與控制 等離子場測量與控制等離子場測量與控制 溫度測量與控制溫度測量與控制工藝條件對結(jié)果的影響側(cè)壁鈍化提高各向異性Plasma ionsResistOxidePolymer formationSilicon 刻蝕終點刻蝕終點診斷和控制技術（簡述）診斷和控制技術（簡述） 終點監(jiān)視儀終點監(jiān)視儀等離子體發(fā)射光譜（等離子體發(fā)射光譜（0ES）掃描單色光譜儀 殘余氣體分析（殘余氣體分析（RGA）/質(zhì)譜分析質(zhì)譜分析 射頻和偏置電壓也可以終點檢測信號射頻和偏置電壓也可以終點檢測信號檢測檢測Measure etch rate at 5 to 9 locations on each wafer, then calculate etch uniformity for each wafer and compare wafer-to-wafer.Randomly select 3 to 5 wafers in a lot損傷（損傷（11.7閱讀）閱讀）習題：列出習題：列出5點以上干法刻蝕的優(yōu)點和點以上干法刻蝕的優(yōu)點和3點