微細加工-11-刻蝕ppt課件

1、去膠去膠顯影第顯影第 1 次圖形轉移次圖形轉移選擇曝光選擇曝光 對刻蝕的要求對刻蝕的要求 1、適當?shù)目涛g速率、適當?shù)目涛g速率 通常要求刻蝕速率為每分鐘幾十到幾百納米。通常要求刻蝕速率為每分鐘幾十到幾百納米。 2、刻蝕的均勻性好片內(nèi)、片間、批次間、刻蝕的均勻性好片內(nèi)、片間、批次間 刻蝕均勻性普通為刻蝕均勻性普通為 。大量硅片同時辰蝕時，刻蝕速。大量硅片同時辰蝕時，刻蝕速率會減小，這稱為刻蝕的率會減小，這稱為刻蝕的 負載效應。負載效應。 3、選擇比大、選擇比大 選擇比指對不同資料的刻蝕速率的比值。選擇比指對不同資料的刻蝕速率的比值。 4、鉆蝕小、鉆蝕小 5、對硅片的損傷小、對硅片的損傷小 6、平安

2、環(huán)保、平安環(huán)保 5% 鉆蝕鉆蝕undercut景象景象 對刻蝕速率的各向異性的定量描畫對刻蝕速率的各向異性的定量描畫LV1RAR 式中，式中，RL 和和 RV 分別代表橫向刻蝕速率和縱向刻蝕速率。分別代表橫向刻蝕速率和縱向刻蝕速率。 A = 1 表示理想的各向異性，無鉆蝕；表示理想的各向異性，無鉆蝕；A = 0 表示各向同性，表示各向同性，有嚴重的鉆蝕。有嚴重的鉆蝕?？涛g技術刻蝕技術濕法濕法干法干法化學刻蝕化學刻蝕電解刻蝕電解刻蝕離子銑刻蝕物理作用離子銑刻蝕物理作用等離子體刻蝕化學作用等離子體刻蝕化學作用反響離子刻蝕物理化學作用反響離子刻蝕物理化學作用 刻蝕技術的種類刻蝕技術的種類 與濕法化學

3、刻蝕相比，干法刻蝕對溫度不那么敏感，工藝與濕法化學刻蝕相比，干法刻蝕對溫度不那么敏感，工藝反復性好；有一定的各向異性；等離子體中的顆粒比腐蝕液中反復性好；有一定的各向異性；等離子體中的顆粒比腐蝕液中的少得多；產(chǎn)生的化學廢物也少得多。的少得多；產(chǎn)生的化學廢物也少得多。 優(yōu)點優(yōu)點 1、運用范圍廣，適用于幾乎一切資料；、運用范圍廣，適用于幾乎一切資料； 2、選擇比大，易于光刻膠的掩蔽和刻蝕終點的控制；、選擇比大，易于光刻膠的掩蔽和刻蝕終點的控制； 3、操作簡單，本錢低，適宜于大批量加工。、操作簡單，本錢低，適宜于大批量加工。 缺陷缺陷 1、為各向同性腐蝕，容易出現(xiàn)鉆蝕；、為各向同性腐蝕，容易出現(xiàn)鉆蝕

4、； 2、由于液體存在外表張力，不適宜于腐蝕極細的線條；、由于液體存在外表張力，不適宜于腐蝕極細的線條； 3、化學反響時往往伴隨放熱與放氣，導致腐蝕不均勻。、化學反響時往往伴隨放熱與放氣，導致腐蝕不均勻。 常用腐蝕液舉例常用腐蝕液舉例 1、SiO2 腐蝕液腐蝕液 BHF：28 ml HF + 170 ml H2O + 113 g NH4F 2、Si 腐蝕液腐蝕液 Dash etch: 1 ml HF + 3 ml HNO3 + 10 ml CH3COOH Sirtl etch: 1 ml HF + 1 ml CrO3 ( 5 M 水溶液水溶液 ) Silver etch: 2 ml HF + 1

5、 ml HNO3 + 2 ml AgNO30.65 M 水溶液，用于檢測外延層缺陷水溶液，用于檢測外延層缺陷 Wright etch: 60 ml HF + 30 ml HNO3 + 60 ml CH3COOH + 60 ml H2O + 30 ml CrO3 ( 1g in 2 ml H2O ) + 2g (CuNO3)23H2O ，此腐蝕液可長期保管，此腐蝕液可長期保管 3、Si3N4 腐蝕液腐蝕液 HF H3PO4 ( 140oC 200oC ) 4、Al 腐蝕液腐蝕液 4 ml H3PO4 + 1ml HNO3 + 4 ml CH3COOH + 1ml H2O ， 35 nm/min

6、0.1M K2Br4O7 + 0.51 M KOH + 0.6 M K3Fe(CN)6 ， 1 m/min ，腐蝕時不產(chǎn)生氣泡，腐蝕時不產(chǎn)生氣泡 5、Au 腐蝕液腐蝕液 王水：王水：3 ml HCl + 1ml HNO3 ，25 50 m/min 4g KI +1g I + 40 ml H2O0.5 1 m/min，不損傷光刻膠，不損傷光刻膠等離子體刻蝕化學作用等離子體刻蝕化學作用反響離子刻蝕物理化學作用反響離子刻蝕物理化學作用離子銑刻蝕物理作用離子銑刻蝕物理作用 一、等離子體刻蝕機理一、等離子體刻蝕機理 在低溫等離子體中在低溫等離子體中 ，除了含有電子和離子外，還含有大量，除了含有電子和離子

7、外，還含有大量處于處于 激發(fā)態(tài)的游離基激發(fā)態(tài)的游離基 和和 化學性質活潑的中性原子團。正是利化學性質活潑的中性原子團。正是利用游離基和中性原子團與被刻蝕資料之間的化學反響用游離基和中性原子團與被刻蝕資料之間的化學反響 ，來到達，來到達刻蝕的目的刻蝕的目的 。對硅基資料的根本刻蝕原理。對硅基資料的根本刻蝕原理 是用是用 “ 硅硅-鹵鹵 鍵鍵替代替代 “ 硅硅-硅硅 鍵鍵 ，從而產(chǎn)生揮發(fā)性的硅鹵化合物。，從而產(chǎn)生揮發(fā)性的硅鹵化合物。 刻蝕硅基資料時的刻蝕氣體有刻蝕硅基資料時的刻蝕氣體有 CF4、C2F6 和和 SF6 等。其等。其中最常用的是中最常用的是 CF4 。 CF4 本身并不會直接刻蝕硅。

8、等離子體中的高能電子撞擊本身并不會直接刻蝕硅。等離子體中的高能電子撞擊CF4 分子使之裂解成分子使之裂解成 CF3 、CF2 、C 和和 F ，這些都是具有極，這些都是具有極強化學反響性的原子團。強化學反響性的原子團。 CF4 等離子體對等離子體對 Si 和和 SiO2 有很高的刻蝕選擇比，室溫下有很高的刻蝕選擇比，室溫下可高達可高達 50，所以很適宜刻蝕，所以很適宜刻蝕 SiO2 上的上的 Si 或多晶或多晶 Si 。 在在 CF4 中摻入少量其它氣體可改動刻蝕選擇比。摻入少中摻入少量其它氣體可改動刻蝕選擇比。摻入少量氧氣可提高對量氧氣可提高對 Si 的刻蝕速率的刻蝕速率 ；摻入少量氫氣那么

9、可提高對；摻入少量氫氣那么可提高對 SiO2的刻蝕速率，從而適宜刻蝕的刻蝕速率，從而適宜刻蝕 Si 上的上的 SiO2。 二、等離子體刻蝕反響器二、等離子體刻蝕反響器 1、圓筒式反響器、圓筒式反響器 這種反響器最早被用于去膠，采用的刻蝕氣體是這種反響器最早被用于去膠，采用的刻蝕氣體是 O2 。后。后來又利用來又利用 F 基氣體來刻蝕硅基資料基氣體來刻蝕硅基資料 。屏蔽筒的作用是防止晶片。屏蔽筒的作用是防止晶片與等離子體接觸而產(chǎn)生損傷，同時可使刻蝕均勻。與等離子體接觸而產(chǎn)生損傷，同時可使刻蝕均勻。Vacuum pumpGas inRF electrodeRFgeneratorWafersQuar

10、tz boatWafersReaction chamber 典型工藝條件典型工藝條件 射頻頻率：射頻頻率：13.56 MHz 射頻功率：射頻功率：300 600 W 任務氣體：任務氣體： O2去膠去膠 F 基刻蝕基刻蝕 Si、Poly-Si、Si3N4 等等 F 基基 + H2刻蝕刻蝕 SiO2 等等 氣壓真空度：氣壓真空度：0.1 10 Torr 分辨率：分辨率：2 m 1、為各向同性腐蝕，存在側向鉆蝕，分辨率不高；、為各向同性腐蝕，存在側向鉆蝕，分辨率不高； 3、均勻性差；、均勻性差； 4、不適于刻蝕、不適于刻蝕 SiO2 和和 Al。 筒式等離子體刻蝕反響器的筒式等離子體刻蝕反響器的 缺

11、陷缺陷 2、負載效應大，刻蝕速率隨刻蝕面積的增大而減??；、負載效應大，刻蝕速率隨刻蝕面積的增大而減??； 2、平板式反響器、平板式反響器射頻源射頻源陰極陰極陽極陽極氣體氣體 硅片放在陽極上。這種刻蝕以化學刻蝕為主，也有微弱的硅片放在陽極上。這種刻蝕以化學刻蝕為主，也有微弱的物理濺射刻蝕作用。離子的能量可以促進原子團與硅片之間的物理濺射刻蝕作用。離子的能量可以促進原子團與硅片之間的化學反響，提高刻蝕速率，同時使刻蝕具有一定的各向異性，化學反響，提高刻蝕速率，同時使刻蝕具有一定的各向異性，使分辨率有所提高。使分辨率有所提高。 非揮發(fā)性的反響產(chǎn)物在側壁的淀積也可實現(xiàn)一定程度的各非揮發(fā)性的反響產(chǎn)物在側壁

12、的淀積也可實現(xiàn)一定程度的各向異性刻蝕。向異性刻蝕。 典型工藝條件典型工藝條件 射頻頻率：射頻頻率：13.56 MHz 任務氣體：任務氣體：F 基、基、Cl 基可加少量基可加少量 He、Ar、H2、O2 等等 氣壓：氣壓：10-2 1 Torr 分辨率：分辨率：0.5 1 m 離子銑刻蝕離子銑刻蝕 又稱為又稱為 離子束濺射刻蝕。離子束濺射刻蝕。 一、離子濺射刻蝕機理一、離子濺射刻蝕機理 一次濺射：入射離子直接將晶格位置上的原子碰撞出來。一次濺射：入射離子直接將晶格位置上的原子碰撞出來。 入射離子以高速撞擊固體外表，當傳送給固體原子的能量入射離子以高速撞擊固體外表，當傳送給固體原子的能量超越其結合

13、能幾到幾十電子伏特時，固體原子就會脫離其超越其結合能幾到幾十電子伏特時，固體原子就會脫離其晶格位置而被濺射出來。這是一種晶格位置而被濺射出來。這是一種 純粹的物理過程。純粹的物理過程。 二次濺射：被入射離子碰撞出來的晶格原子，假設具有足二次濺射：被入射離子碰撞出來的晶格原子，假設具有足夠的能量時，可再將其它晶格原子碰撞出來。夠的能量時，可再將其它晶格原子碰撞出來。022121)(4EMMMME 選擇離子的原那么選擇離子的原那么 令令 ，可得，可得 ，且，且 ，這時靶原子，這時靶原子可獲得最大能量，即可獲得最大能量，即 。所以為獲得最好的濺射效果，。所以為獲得最好的濺射效果，應選擇入射離子使其質

14、量盡能夠接近靶原子。應選擇入射離子使其質量盡能夠接近靶原子。1d0dEM21MM 221d0dEM0maxEE 1、質量、質量 質量為質量為 M2 的靶原子從質量為的靶原子從質量為 M1 的入射離子獲得的能量的入射離子獲得的能量為為 2、要求入射離子對被刻蝕資料的影響盡量小、要求入射離子對被刻蝕資料的影響盡量小 3、容易獲得、容易獲得 例如，假設要對例如，假設要對 SiO2 進展濺射加工，根據(jù)要求進展濺射加工，根據(jù)要求 2，入射，入射離子應在惰性氣體離子離子應在惰性氣體離子 Ar+、Kr+ 和和 Xe+ 中選擇，又因中選擇，又因 Si 原原子和子和 O2 分子的原子量分別是分子的原子量分別是

15、28 和和 32，而，而 Ar+、Kr+ 和和 Xe+ 的原子量分別是的原子量分別是 40、84 和和 131，所以采用，所以采用 Ar+ 離子的效果是離子的效果是最好的。而且最好的。而且Ar+ 離子也是相對比較容易獲得的。離子也是相對比較容易獲得的。 相對濺射率：在單位離子相對濺射率：在單位離子束電流密度下，單位時間內(nèi)加束電流密度下，單位時間內(nèi)加工外表的減薄量，記為工外表的減薄量，記為 濺射率與入射角的關系濺射率與入射角的關系 入射角：靶平面法線與入射離子束的夾角，記為入射角：靶平面法線與入射離子束的夾角，記為 。 濺射率：由一個入射離子濺射出來的原子或分子的數(shù)目，濺射率：由一個入射離子濺射

16、出來的原子或分子的數(shù)目，也稱為濺射產(chǎn)率，記為也稱為濺射產(chǎn)率，記為 S 。濺射率。濺射率 S 是入射角是入射角 的函數(shù)。的函數(shù)。S( )U19S210cm/s( )( )cos()1.6A/cmUSn030o60o90oS( )U)(S 式中，式中，n 代表被濺射資料代表被濺射資料的原子密度。的原子密度。 濺射率與離子能量的關系濺射率與離子能量的關系2aa0aa0aaaaa25150V :() ,150400V :(),4005KV :,5K20KV :lg,20K50KV :VSVVVSVVVSVVSVVS呈現(xiàn)飽和甚至下降。式中，式中，V0 為臨界電壓，對金屬靶約為為臨界電壓，對金屬靶約為 2

17、5 V 。 入射離子能量更高時，離子將進入固體內(nèi)較深的區(qū)域，這入射離子能量更高時，離子將進入固體內(nèi)較深的區(qū)域，這時外表濺射反而減小，成為時外表濺射反而減小，成為 離子注入離子注入 。 幾種常用資料的相對濺射率幾種常用資料的相對濺射率條件：條件：Ar+，1 kV，1mA/cm2，510-5 Torr，單位，單位 nm/min Si : 36， GaAs : 260， SiO2 (熱氧化熱氧化) : 42， Al : 44， Au : 160， Cr : 20， KTER : 39， AZ0 : 60， PMMA : 84， 上述數(shù)聽闡明，離子濺射的選擇比很差。上述數(shù)聽闡明，離子濺射的選擇比很差。

18、 2、掩模方式離子束濺射刻蝕、掩模方式離子束濺射刻蝕 通常采用光刻膠作掩模。有兩種類型的刻蝕安裝。通常采用光刻膠作掩模。有兩種類型的刻蝕安裝。 (1) 離子源與加工室分別的，如考夫曼型，離子源氣壓為離子源與加工室分別的，如考夫曼型，離子源氣壓為 10-2 10-4 Torr ，加工室氣壓為，加工室氣壓為 10-5 10-7 Torr。 (2) 離子源與加工室一體的，如射頻型，氣壓為離子源與加工室一體的，如射頻型，氣壓為 10-2 Torr。 二、離子束濺射刻蝕安裝二、離子束濺射刻蝕安裝 1、聚焦方式離子束濺射刻蝕、聚焦方式離子束濺射刻蝕 設備的根本原理與聚焦離子束曝光安裝一樣，離子源通常設備的

19、根本原理與聚焦離子束曝光安裝一樣，離子源通常采用采用 LMIS。也可采用等離子體型，離子通常用。也可采用等離子體型，離子通常用 Ar+。 優(yōu)點：無需掩模與光刻膠，刻蝕深度范圍大。優(yōu)點：無需掩模與光刻膠，刻蝕深度范圍大。 缺陷：刻蝕效率低，設備復雜昂貴。缺陷：刻蝕效率低，設備復雜昂貴。接地電極陽極接地電極陽極等離子體區(qū)亮區(qū)等離子體區(qū)亮區(qū)電位降區(qū)暗區(qū)電位降區(qū)暗區(qū)浮空電極陰極浮空電極陰極射頻發(fā)生器射頻發(fā)生器CbVaV 任務原理以射頻型為例任務原理以射頻型為例 典型工藝條件典型工藝條件 射頻頻率：射頻頻率：13.56 MHz 直流偏壓：直流偏壓：50 3000 V 任務氣體離子：任務氣體離子：Ar 氣

20、壓真空度：約氣壓真空度：約 10-2 Torr 分辨率：分辨率：0.1 m 三、離子束濺射刻蝕的特點三、離子束濺射刻蝕的特點 優(yōu)點優(yōu)點 1、入射離子有很強的方向性，為各向異性刻蝕，無側向、入射離子有很強的方向性，為各向異性刻蝕，無側向鉆蝕，刻蝕分辨率高；鉆蝕，刻蝕分辨率高； 2、能刻蝕任何資料，一次能刻蝕多層資料；、能刻蝕任何資料，一次能刻蝕多層資料； 3、刻蝕在高真空中進展，刻蝕過程不易受污染。、刻蝕在高真空中進展，刻蝕過程不易受污染。 缺陷缺陷 1、選擇比差、選擇比差 對不同資料的刻蝕速率的差別小于對不同資料的刻蝕速率的差別小于 3 倍，對光刻膠及下層倍，對光刻膠及下層資料的選擇比常接近于

21、資料的選擇比常接近于 1 : 1，甚至對光刻膠的刻蝕速率更快，甚至對光刻膠的刻蝕速率更快 。選擇比差的后果是，第一，當采用掩模方式時，刻蝕深度遭到選擇比差的后果是，第一，當采用掩模方式時，刻蝕深度遭到限制；第二，刻蝕終點難以控制，容易損傷下層資料。限制；第二，刻蝕終點難以控制，容易損傷下層資料。 2、刻蝕速度慢，效率低、刻蝕速度慢，效率低 4、有再淀積效應、有再淀積效應 3、有側向刻蝕、有側向刻蝕 5、圖形邊緣出現(xiàn)溝槽、圖形邊緣出現(xiàn)溝槽 簡稱為簡稱為 RIE，但是其更恰當?shù)姆Q號應該是離子輔助刻蝕。，但是其更恰當?shù)姆Q號應該是離子輔助刻蝕。 反響離子刻蝕安裝可分為平板式與六角方式。與平板式等反響離

22、子刻蝕安裝可分為平板式與六角方式。與平板式等離子體刻蝕相比，區(qū)別是將硅片放在陰極上，而等離子體刻蝕離子體刻蝕相比，區(qū)別是將硅片放在陰極上，而等離子體刻蝕是將硅片放在陽極上。與離子銑刻蝕相比，區(qū)別是要通入腐蝕是將硅片放在陽極上。與離子銑刻蝕相比，區(qū)別是要通入腐蝕性氣體如性氣體如 Cl 基、基、F 基氣體，而離子銑刻蝕用的是惰性氣體。基氣體，而離子銑刻蝕用的是惰性氣體。陰極陰極多孔陽極多孔陽極射頻源射頻源氣體氣體 反響離子刻蝕具有等離子體刻蝕的刻蝕速率快的優(yōu)點，而反響離子刻蝕具有等離子體刻蝕的刻蝕速率快的優(yōu)點，而且比等離子體刻蝕還要快，同時又具有離子銑刻蝕的各向異性且比等離子體刻蝕還要快，同時又具

23、有離子銑刻蝕的各向異性因此分辨率高的優(yōu)點。因此分辨率高的優(yōu)點。 離子的轟擊起到了多種作用。離子的轟擊起到了多種作用。1、離子轟擊提供的能量提高、離子轟擊提供的能量提高了外表層的化學活性；了外表層的化學活性；2、離子轟擊可使反響氣體更容易穿透外、離子轟擊可使反響氣體更容易穿透外表的妨礙物而到達反響層；表的妨礙物而到達反響層；3、還有細微的物理濺射刻蝕作用。、還有細微的物理濺射刻蝕作用。由于離子轟擊的方向性，蒙受離子轟擊的底面比未蒙受離子轟由于離子轟擊的方向性，蒙受離子轟擊的底面比未蒙受離子轟擊的側面的刻蝕要快得多。擊的側面的刻蝕要快得多。 當運用某些混合氣體如當運用某些混合氣體如 BCl3、CC

24、l4、SiCl4 ，反響過程會，反響過程會在側壁上構成維護性的聚合物薄膜，進一步提高了各向異性。在側壁上構成維護性的聚合物薄膜，進一步提高了各向異性。 典型工藝條件典型工藝條件 射頻頻率：射頻頻率：13.56 MHz 任務氣體：任務氣體：Cl 基、基、F 基基 氣壓：氣壓：10-1 10-3 Torr 分辨率：分辨率：0.1 0.2 m刻蝕速率：刻蝕速率：100 200 nm/min 提高刻蝕速率的方法之一是提高等離子體的密度。假設對提高刻蝕速率的方法之一是提高等離子體的密度。假設對等離子體施加額外的電場與磁場，可以急劇添加自在電子的碰等離子體施加額外的電場與磁場，可以急劇添加自在電子的碰撞幾

25、率，在一樣或者更低的氣壓與功率下添加離化率，從而提撞幾率，在一樣或者更低的氣壓與功率下添加離化率，從而提高等離子體的密度。高等離子體的密度。 剝離工藝可用于制造剝離工藝可用于制造 IC 的金屬互連線。的金屬互連線。曝光曝光顯影顯影淀積金屬淀積金屬去膠去膠 剝離工藝中，當采用正膠時，獲得的金屬圖形與掩模版上的圖形相反，這與采用負膠及刻蝕工藝所得到的結果一樣。 光刻膠的剖面輪廓有光刻膠的剖面輪廓有 頂切式、底切式頂切式、底切式 和和 直壁式直壁式 三種。三種。 對于剝離工藝，為了使有膠區(qū)和無膠區(qū)的金屬薄膜很好地對于剝離工藝，為了使有膠區(qū)和無膠區(qū)的金屬薄膜很好地分別，希望獲得底切式的輪廓。對分別，希

26、望獲得底切式的輪廓。對 PMMA 正性光刻膠在采取正性光刻膠在采取雙層膠技術或氯苯浸泡等一些特殊措施后雙層膠技術或氯苯浸泡等一些特殊措施后 ，可以構成底切式，可以構成底切式 ，而且膠膜較厚，所以在剝離工藝中常采用而且膠膜較厚，所以在剝離工藝中常采用 PMMA 膠。膠。頂切式頂切式底切式底切式直壁式直壁式 物理刻蝕為各向異性，無鉆蝕，分辨率好；物理刻蝕為各向異性，無鉆蝕，分辨率好； 化學刻蝕為各向同性，有鉆蝕，分辨率差?；瘜W刻蝕為各向同性，有鉆蝕，分辨率差。 物理刻蝕的選擇比?。换瘜W刻蝕的選擇比大。物理刻蝕的選擇比??；化學刻蝕的選擇比大。 可以經(jīng)過調理任務氣體的種類、氣壓、電極方式和電壓等可以經(jīng)過調理任務