无锡华晶上华半导体有限公司
By:王永刚
2002-7-20
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Wuxi CSMC-HJ Co., Ltd.
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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
第四章 在线干法腐蚀设备结构第五章 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
艺
/原理简介
法
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前言
在集成电路制造工艺中，刻蚀技术与光刻技术统称为精细加工技术，所不同的是光刻工艺仅仅是一种表面加工技术而刻蚀工艺则是光刻工艺的延伸和发展，晶片经过曝光、显影后，在光刻胶上显示出集成电路的图形，刻蚀即利用显影后的光刻胶图形作掩蔽，在SIO2、SI3N4、金属膜、多晶硅等不同类型的薄膜上刻蚀出与光刻胶图形相同的集成电路图形来，实现图形的转移。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，之二便是刻蚀技术。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。
刻蚀方法从宏观上可分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类，各有其优缺点： 1．湿法刻蚀技术采用化学试剂进行刻蚀工艺。 优点：设备简单，刻蚀损伤小。
缺点：刻蚀精度差，是各向同性刻蚀，在刻蚀过程中，不但向纵向刻蚀，而且还向侧向刻蚀。湿法刻蚀线宽一般在3um以上。 2．干法刻蚀技术
干法刻蚀主要指采用纯化学作用的等离子腐蚀及纯物理作用的离子腐蚀或具有物理、化学作用的腐蚀方法，是利用气相刻蚀剂与被刻蚀的样品表面接触而实现的刻蚀技术。
优点：刻蚀精度高，是各向异性刻蚀，可以同时刻蚀多层膜，可以实现自动化操作，自动终点控制腐蚀精确，避免使用化学试剂等。
缺点：选择比差，设备昂贵，对光刻胶的要求较高。
随着大规模集成电路的发展，早先所依靠的湿法腐蚀工艺的局限性愈加突出，湿法工艺不仅加工精度低，限制了器件尺寸向微细化发展，同时引起了化学试剂对器件的沾污、环境污染及废液处理等一系列问题，而干法技术因其刻蚀精度高已受到人们的日益重视和推广应用，从60年代后期干法技术最初应用于半导体工艺至今，干法技术在LSI、VLSI中得到的应用越来越广泛，对于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=V/X（如图1.1所示）
图1.1
刻蚀因子F越大，保真度越X 好。
1.2 选择比，就是要
resist SiO2 V 求刻蚀剂只刻蚀所要刻蚀的膜，而对其下 Si 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。设对所要刻蚀的薄膜刻蚀速率为V，对衬底刻蚀速率为U，则选择比 S= V ，S越大，说明选择比越好。
1.3 刻蚀均匀性。现在超大规模集成电路采用的大圆片一般在4~12英寸，如果在硅大圆片上生长的
U 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。因此，要获得高质量的刻蚀，控制刻蚀的均匀性，也是十分重要的。
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第一章 基本概念
1、Etch---腐蚀
腐蚀就是通过一定的方法（化学药液，特气等）把光刻曝光显影后形成的图形转移到硅片上，从而形成管芯的各种结构和图形。2、腐蚀的对象 1) Dielectric (oxide,nitride,etc.) 2) Silicide (polysilicon and silicide) 3) Silicon(single crystal silicon) 4) Metal(AL.Cu.Si)
3、E/R（Etch Rate）---腐蚀速率
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---腐蚀速率均匀性
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：假定一个圆片片内测试了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---选择比
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。
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MACROLOADING（宏负载效应）--不同的暴露面积影响腐蚀速率差异。 10、PROFILE ---剖面形貌
11、STEPCOVERAGE----台阶覆盖率
WINDOW/VIA 内最薄处的AL厚与正常AL厚的比例。
第二章 干法腐蚀基本原理
干法腐蚀又称等离子腐蚀。根据设备腔体结构的不同，可分为：①圆筒型等离子腐蚀②平行板等离子腐蚀③平行板反应离子腐蚀④反应离子束腐蚀⑤离子束铣腐蚀等。本文主要介绍等离子腐蚀和反应离子腐蚀的基本原理。
一、 等离子体腐蚀
等离子腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀
材料发生化学反应的一种选择性腐蚀方法。
气体中总存在微量的自由电子，在外电场的作用下，电子加速运
动。当电子获得足够的能量后与气体分子发生碰撞，使气体分子电离发出二次电子，二次电子进一步与气体分子发生碰撞电离，产生更多的电子和
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离子。当电离与复合过程达到平衡时，出现稳定的辉光放电现象，形成稳定的等离子体（PLASMA）。等离子体中包括有电子、离子、还有处于激发态的分子，原子及各种原子团（统称游离基）。游离基具有高度的化学活性，正是游离基与被腐蚀材料的表面发生化学反应，形成挥发性的产物，使材料不断被腐蚀。
等离子腐蚀设备可以分为筒式和平板式两种。
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二、 反应离子腐蚀---RIE
反应离子腐蚀可以看作是一种反应压力更低、各向异性作用更强、腐蚀速率更高的等离子腐蚀，因其既有化学作用，又有物理作用，所以能获得良好的腐蚀效果。
常见的反应离子腐蚀结构有两种：其一为一般的阴极耦合方式，样品置于加有高频的阴极上；其二为阳极耦合方式，样品置于接地的阴极上，阳极接高频电源，可以认为是等离子腐蚀的变异。 进气 阳极 抽气 阴极 阴极耦合方式
进气 抽气 阳极 阳极耦合方式 阴极 7
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三、 平板反应离子腐蚀与平板等离子腐蚀的区别
1． 平板等离子腐蚀设备上下极板基本对称、面积相近，等
离子边界与接地下平板间的电压降通常较小（近百伏），腐蚀主要是化学反应过程，腐蚀选择性好。RF 加在上极板。
2． 反应离子腐蚀装置中两个极板的面积不等；硅片放在
射频电源电极阴极上；反应压力更低。平行平板等离子腐蚀装置的压力为13~133Pa；反应离子腐蚀的压力为0.13~13Pa，因此，到达阴极的正离子具有更大的能量与更强的指向阴极的方向性，因而能获得各向异性腐蚀。
干法腐蚀工艺过程中包含6STEPS ：
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STEP1：气体进入腔体，在高频电场的作用下，电子/分子碰撞产生反应基团。
STEP2：反应基扩散到被腐蚀膜的表面。 STEP3：反应基被吸附在表面。 STEP4：发生化学反应。 STEP5：反应生成物解吸附发生。
STEP6：反应生成物扩散到反应残余气体中一起被PUMP 抽走。
第三章 常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺
1．POLY-SI，SI3N4，SIO2 (SOG) 的等离子腐蚀 通常使用含F的腐蚀性气体，如CF4 CF4 CF3+F* CF3 CF2+F* CF2 CF+F* Si+4F* SiF4 SiO2+4F* SiF4 +O2 Si3N4+12F* 3SiF4 +2N2 CFx（x≤3）与SiO2，SiN4 的反应速率比与Si的反应速率快。在CF4中加入少量H2可以使CFx：F*的浓度比增加，从而使SiO2：Si及Si3N4：Si 的腐蚀速率比增大。在 CF4中加入少量O2可增加Si，SiO2，Si3N4的腐蚀速率，原因是氧可以抑制F游离基在反应腔壁的损失，还有CF4+O2 F*+O*+COF*+COF2+CO+…，上式中的COF*寿命较长，当它运动到样品
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表面时发生下述反应：COF* F*+CO 4F*+Si SiF4 2. Metal的等离子腐蚀
对于Al腐蚀，因为ALF3是一种低挥发性物质，因而不能采用CF4作为腐蚀剂，通常用氯化物（SiCL4，BCL3）。通常AL 表面总有一层约3NM的自然氧化层AL2O3，它阻碍了铝的腐蚀，使铝的腐蚀过程变的复杂。在腐蚀铝之前，必须首先去除自然氧化层。AL 腐蚀反应腔必须设计的能防止水气的侵入，因为腐蚀产物ALCL3具有准挥发性和吸水性，挥发不良的ALCL3 可沉积在反应腔壁上，当腔壁暴露在大气中时，ALCL3就吸收大量的水分，再次进行腐蚀时，吸收的水分就挥发并影响腐蚀过程。 在腐蚀AL 的工艺中最常遇到的就是AL 的后腐蚀问题。其原因是在光刻胶中残留有含CL 的反应产物，如与空气中的湿气就形成HCL，使AL 继续被腐蚀。所以一般在腐蚀后立即通入含碳氟化物，以置换CL离子。对于AL 腐蚀以后的去胶工艺时间间隔要求也很严，一般要求不超过2小时。
而对于W腐蚀来讲，则是利用氟化物作为腐蚀剂（通常使用SF6），生成具有挥发性的WFx，以达到Etchback的目的。 表一：常用材料的腐蚀剂 待蚀材料 Si（单晶）
多晶硅
AL，AL-Si，AL-Si-Cu SiO2（BPSG） Si3N4 W
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腐蚀剂 CF4，CF4+O2
CF4，CL2/HBR，SF6，BCL3/CL2 CL2，BCL3，SiCL4，BCL3/CL2/CHF3 CF4，C2F6，CHF3 SF6，CF4 SF6，Ar
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第四章 在线干法腐蚀设备结构/工艺原理简介 在腐蚀工艺过程中需要特别考虑的常见工艺参数有：
1． ETCH RATE 2． ETCH UNIFORMITY 3． SELECIVITY 4． PROFILE 5． CD LOSS 6． OXIDE LOSS
7． WIDOW/VIA STEPCOVERAGE
一、SIN 腐蚀
SIN腐蚀的目是为的了形成有源区（即器件形成区域）.但是在这一步被腐蚀的SIN 区域是后面长的是场氧，形成场区，SIN留下的区域才是有源区。
PR SIN PAD OXIDE SI SUB
GASAD ETCH GASAD腐蚀设备是P5K-SIN，低压力，终点控制，腐蚀气体主要是SF6，腐蚀速率在2200A/MIN，SIN对OXIDE 的选择比在3左右。SIN腐蚀需要特别注意是就是1.保证SIN 腐蚀干净2.留有一定的SIO2，不能腐蚀到SI衬底上。3.由于SIN及PAD OXIDE 的厚度都较薄，所以对腐蚀均匀性的要求也很高。在线监测腐蚀后的残氧。
二、OXIDE 腐蚀
主要有LAM384T，ASIQ，P5K-OXIDE。
主要腐蚀工艺有：孔腐蚀，通孔腐蚀，SPACER 腐蚀，平坦化腐蚀，钝
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化腐蚀等；腐蚀气体主要为CHF3，CF4，Ar，O2。其中CHF3是产生POLYMER 的主要气体，可以提高SIO2对Si/POLY-Si，PR 的选择比； 调整CHF3/CF4 的比例，可以控制POLYMER的产生；Ar 为惰性气体，可以运载离子，增强离子轰击，帮助控制POLYMER，调整PROFILE；He 为背面冷却气体。
孔和通孔都要求有良好的AL 台阶覆盖。
OXIDE 腐蚀设备特点：384T 为三电极式结构（见下图示），ASIQ 为4个腔体的 384T，P5K-OXIDE 为应用材料的MXP+，采用静电吸附硅片，可以提高腐蚀速率的均匀性。
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1、孔腐蚀
WINDOW1 的介质结构一般为BP7500A，经回流漂洗后厚度约为5500A，为保证一定的台阶覆盖，WINDOW 腐蚀一般采用两步腐蚀法：
STEP1：ISO ETCH （各向同性腐蚀AE2001-1#）
STEP2：ANISO ETCH （各向异性腐蚀ASIQ/P5K-OXIDE RIE ETCH）
ISO
ANISO ETCH
ETCH PR
BPTEOS SI/POLY/OXIDE
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需要注意的是1.要保证有一定的过腐蚀量（即孔要腐蚀干净），否则孔的接触电阻会很大，其他一些参数会测不出来。2.过腐蚀量又不能太大；所以必需要有OXIDE 对SI/POLY-SI
的选择比很高（一般大于10）来做保证。在线一般用腐蚀以后的场氧厚度来监控孔腐蚀是否干净
2、平坦化工艺与VIA 腐蚀
平坦化腐蚀：当器件集成度提高，器件尺寸越来越小，需要用到双层（多层）布线的时候，平坦化的工艺也随之引入生产。随着器件的形成，在圆片上的膜层见多（FOX，POLY1，POLY2，D1，M1 等），圆片表面的平整度变差，这是对光刻机形成了挑战；平坦化的目的就是要减小减小台阶差异，给光刻提供有利条件。
M1 台阶片 5500A PETEOS AR FILLET 18K PETEOS PLAN 2001年我们引入了SOG工艺，使平坦化技术迈上了一个新的台阶，其简单工艺流程如下：
M1 台阶片---2700A PETEOS---6200A SOG---退火---平坦化腐蚀
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平坦化腐蚀的要求：
１． 开通孔的地方无ＳＯＧ残留，如果有残留将导致介质太厚，ＡＬ填充异常
2. 在相同台阶之处，台阶要平整；不同台阶之处，特别是台阶过渡区域，台阶的高度
差要合理
VIA 腐蚀：VIA 是使M1/M2 连接起来的通道。同样要是M1/M2 连接的好，需要有良好的VIA 形貌来保证M2 的台阶覆盖。我们的VIA 工艺实际上同时也是又一次平坦化腐蚀。
STEP1
PR
STEP2
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PETEOS METAL1
STEP3
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VIA腐蚀要注意1.VIA 要腐蚀干净 2.最终的介质厚度要控制住，不能太薄（造成M1，M2间漏电），也不能太厚（M2台阶覆盖不良）。 VIA 腐蚀一般分三步主要工艺
STEP1：OXIDE/PR=6：1
STEP2：OXIDE/PR=1：2（为保证AL2的台阶覆盖） STEP3：OXIDE/PR=2：1（1：1）----OVER ETCH 反应机理：CHF3 CF3+H CF3 CF2+F CHF3 CHF2+F CHF2 CHF+F
影响选择比的几个主要因素： 1) CHF3/CF4 RATIO 2) PRESS 3) Ar FLOW 4) RF
5) He COOLING 6) 电极温度
7) total concentration of fluorinated species
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3、Spacer etch
一般当器件特征尺寸做至1.2UM以下时，在POLY 腐蚀以后会有一步SPACER 工艺，其作用是保护POLY侧壁，实现源、漏注入自对准，减小因源漏注入造成的横向扩散。
LPTEOS SPACER ETCH spacer作用：1）实现注入自对准
2）保护POLY 侧壁
spacer腐蚀 STEP1：TEOS 终点控制 STEP2：LPSIN 终点控制/时间 STEP3：OVER ETCH
SPACER SIZE
在线监控FOX 损失量/SEM检查SPACER 宽度
4、钝化腐蚀（略）
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钝化的目的是给器件以表面保护作用。一般钝化层采用PEOXIDE/PESIN 双层介质。 三、POLY ETCH 主要设备有P5K-POLY
主要腐蚀气体为CL2，HBR，HCL等。 POLY ETCH PROCESS：
STEP1-BREAKTHROUGH STEP（OPTIONAL）
STEP2-MAIN ETCH STEP （OPTICAL EMISSION ENDPOINT） STEP3-OVER ETCH STEP POLY 腐蚀工艺中需注意的是：
1． POST-ETCH SIDEWALL 2． STRINGERS 3． MICROLOADING 4． UNIFORMITY
5． PROFILE/CD CONTROL 6． SELECTIVITY TO OXIDE 7． POLYSi：PR SELECTIVITY
CF4 主要用于STEP1 ，以去除POLY 表面的一层自然氧化层，有时在POLY 光刻之前如有一步HF DIP，STEP1 可以不做。
CL2 是主要腐蚀气体；HBr可以形成POLYMER 保护侧壁，提高对PR 的选择比；加入He-O2 可以提高对OXIDE 的选择比。
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PR POLY
POLY ETCH GATE OXIDE SUB
在线监测腐蚀后的残氧，但由于POLY腐蚀以后一般氧化层表面都有一些POLYMER 附着，所以腐蚀后测的残氧值通常并不是真实的，经100：1HF DIP 10SEC之后测量的值才是真实的残氧值。 四、METAL ETCH
主要设备有P5K-METAL，AME8330，TCP9600 主要腐蚀气体：CL2/BCL3/CF4/N2
1．AME8330：为多片式刻蚀系统，阳极为钟罩，阴极为六面体电极，共有18个硅片基座，LOADLOCK 可储存硅片，自动装片系统。终点控制模式。刻蚀和去胶在同一腔体，可以有效的消除AL 的后腐蚀。
2．P5000-METAL：为单片式刻蚀系统，有一个28位的硅片储存室，可以一次将所有圆片传入室内，等待刻蚀。两个PROCESS CHAMBER，一个STRIP CHAMBER。
3．TCP9600：2001年新进扩产设备，同样为单片式刻蚀系统，与上述两台设备的区别之处在于Plasma的形成方式不同，并且该设备有一个自带的流水腔
METAL腐蚀后一定要注意去胶及时，否则，如前所述，会有AL的后腐蚀 发生。
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PR METAL
OXIDE SUB
METAL ETCH 4．Centura：随着公司工艺集成度的不断提升，孔的填充问题日益突出，为解决这一问题，我们引入Tungsten工艺，配备了该设备，WEB工艺类似于平坦化工艺。
第五章 干法腐蚀工艺中的终点检测
早期的监控方法是计时法：假定被腐蚀材料的膜厚已知，先通过实验确定腐蚀速率，然后在工艺过程中，由计时确定终点，单由于影响腐蚀速率的因素很多（如压力，温度，流量，气体比例等），腐蚀速率难于重复，用定时的方法不能满足工艺要求。
用观察腐蚀过程中腐蚀层干涉颜色的变化来确定终点，其方法虽然简单，但它要求操作者能够识别不同复合层的图形颜色，而且需要有充分的
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暴露面积以供腐蚀过程中用肉眼观察，因而不适应大生产。
采用终点控制可以较精确的控制腐蚀时间，屏蔽因为腐蚀速率的差异造成的时间误差，充分实现腐蚀设备的自动化。目前主要有发射光谱法、光学反射法、质谱法、探针法、阻抗监视法等。总之，凡是在腐蚀终点能够发生明显变化的参量都可以作为终点检测的信号，形成相应的终点检测方法。
现在我们常用的是光谱法。其物理理论是每一种物质受到能量激发，都会发出其特定的波长。硅片在被腐蚀的时候，腔体内维持一个稳定的反应气氛，所探测的物质波长发射密度基本不变，当硅片快要腐蚀结束时（即到达终点位置），密度会发生突变，这样经过光电信号转换，即可探测到终点位置。使用这种方法需要注意的是：1.所用于探测波长的物质必须要有足够的密度；2.必须要能够发生突变。
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第六章 干法去胶
当SiO2 或Al 等待刻蚀材料腐蚀完毕后，起刻蚀掩蔽作用的光刻胶必须去除干净，以给下一步工序留下一个清洁的表面。去胶的基本原则是
（1） 去胶后硅片表面无残胶、残迹； （2） 去胶工艺可靠，不损伤下层的衬底表面 （3） 操作安全，简便 （4） 无公害及生产成本低。
目前除了采用湿法去胶外，还有等离子去胶（干法去胶）。我们所用的干法
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去胶设备有A1000（单片式），DES（筒式）。A1000去胶设备为一种等离子体下游式去胶，其去胶方式可以更小的减少对硅片的等离子损伤。去胶使用气体主要为O2，与光刻胶中的C 反应生成CO，去胶温度一般在150度左右。
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第七章 在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法
1、腐蚀不净
例：GASAD 有SIN 残余
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原因分析：384 设备腐蚀能力不足，片内均匀性差，不能满足1um 以下的产品工艺。
处理方法：改用P5K-SIN 腐蚀1.0UM 以下产品的GASAD。
2、AL 的后腐蚀
原因分析：AL 腐蚀后去胶时间间隔太长，造成空气中的水气与光
刻胶中残留的CL离子反应生成HCL，继续腐蚀AL。
处理方法：AL腐蚀后及时去胶，检查AL 腐蚀设备的压力及气体组
分对反应腔的影响。
3、AL 腐蚀后TIN残留
原因分析：AL 的结构为 Ti375-TiN600A/ALSICU4500A/TIN500A由于AL
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溅射后表面有梅花状（分析为Si析出），造成刻蚀难以腐蚀干净。
处理方法：优化腐蚀RECIPE；调整AL溅射质量。
4、过腐蚀
例：AL 过腐蚀造成AL 条细，断条等。 原因分析：1.错误找到终点，致腐蚀时间过长。 2．错误选择腐蚀程序。 3．来片膜厚偏薄等。
5、残留物
一般指腐蚀以后圆片表面留有残留的膜，没有被刻蚀干净。 原因分析：腐蚀时间不足或腐蚀程序设置不恰当。
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处理方法：优化RECIPE。
6、糊胶/塌胶
原因分析：一般是由于硅片背面He 冷却流量太小造成反应过程中硅片表
面温度过高引起。
处理方法：调整He流量至正常值。 7． 7、颗粒
例：SPACER 腐蚀颗粒
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原因分析：腔体内腔壁由于有POLYMER 聚结，腐蚀过程中有颗粒掉在硅片上，阻止进一步腐蚀，造成局部腐蚀不干净。 处理方法：清洗腐蚀腔体。
8、PROFILE 不良
例：CS4005 AL PROFILE 不良
原因分析：腐蚀程序不适用（如CL2 流量太大，PRESS 太低等） 处理方法：优化RECIPE。
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9、去胶不净/残胶
原因分析：去胶时间不够或方法不当。
10、熔铝
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