1、Company Confidential 1Do Not Copy刻蝕工藝培訓教材刻蝕工藝培訓教材Company Confidential 2Do Not Copy摘摘 要要 集成電路制造介紹 刻蝕工藝基本概念Company Confidential 3Do Not Copy集成電路制造介紹 電路、芯片、管芯 集成電路制作過程 局部管芯剖面（BiCMOS工藝）Company Confidential 4Do Not Copy芯片、管芯、集成電路芯片、管芯、集成電路Company Confidential 5Do Not Copy集成電路制作過程集成電路制作過程氮化硅/氧化膜氧化膜多晶硅沉積硅化

2、鎢沉積TEOS 沉積硼磷氧化膜金屬膜保護層沉淀勻光刻膠曝 光顯 影化學蝕刻電漿蝕刻離子注入光罩投入硅片投入激光刻號硅片清洗去膠金屬熱處理/電性能測試晶 背 研 磨硅片測 試成品產(chǎn)出成 品 測 試硅片封裝WATCP SortCompany Confidential 6Do Not CopyBiCMOS剖面（雙層金屬連線）剖面（雙層金屬連線）Company Confidential 7Do Not Copy刻蝕工藝基本概念刻蝕工藝基本概念 一、刻蝕的目的及作用 二、刻蝕基本原理原理與過程 三、刻蝕工藝的發(fā)展及我公司刻蝕當前狀況 四、刻蝕工藝評價項目、方法及標準 五、刻蝕工藝控制方法 六、刻蝕工藝選

3、擇需考慮的因素 七、刻蝕工藝常見問題Company Confidential 8Do Not Copy一、刻蝕的目的及作用一、刻蝕的目的及作用 刻蝕是用物理或化學的方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程；一般分為兩種：濕法刻蝕、干法刻蝕。 刻蝕的基本作用是準確地復制掩膜圖形，以保證生產(chǎn)線中各種工藝正常進行。Company Confidential 9Do Not Copy二、刻蝕過程與原理二、刻蝕過程與原理Company Confidential 10Do Not Copy濕濕 法法 腐腐 蝕蝕（WET ETCHING) 濕法腐蝕原理 常見設備工作圖 主要試劑及用途 優(yōu)點及缺點 生產(chǎn)線應

4、用 工藝主要控制參數(shù)Company Confidential 11Do Not Copy濕法刻蝕原理濕法刻蝕原理 通過合適的化學溶液與所欲蝕刻的材質(zhì)進行化學反應，然后轉成可溶于此溶液的化合物，而達到去除的目的。 濕法蝕刻的進行主要是憑借溶液與欲刻蝕材質(zhì)之間的化學反應，因此，我們可以籍由化學溶液的選取與調(diào)配，得到適當?shù)奈g刻速率，以及欲蝕刻材質(zhì)對下層材質(zhì)的良好蝕刻選擇比。 各向同性刻蝕Company Confidential 12Do Not Copy濕法腐蝕濕法腐蝕（WET ETCHING)二氧化硅腐蝕二氧化硅腐蝕 -Silicon Oxide EtchSiO2 + 6HF H2SiF6 + 2

5、H2OHF : 刻蝕劑, NH4F : 緩沖劑多晶硅腐蝕多晶硅腐蝕 -Poly-Si EtchSi + HNO3 + 6HF H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O HNO3 : 氧化劑, HF : 刻蝕劑金屬鋁腐蝕金屬鋁腐蝕 -Al EtchHNO3 : 氧化劑, H3PO4 :刻蝕劑, CH3COOH : 緩沖劑氮化硅腐蝕氮化硅腐蝕 -Silicon Nitiride EtchHot (150) H3PO4 :刻蝕劑3去膠去膠 - SC-3（120）H2SO4 + H2O2 = H2SO5 + H2OH2SO5 + PR = H2SO4 + CO2 + H2OCompany Co

6、nfidential 13Do Not Copy濕法腐蝕槽示意圖濕法腐蝕槽示意圖M M過濾器熱交換器循環(huán)泵硅片外槽內(nèi)槽試劑Company Confidential 14Do Not Copy主要的化學試劑主要的化學試劑 BOE、BHF（HF/H2O) 氟化氨腐蝕液 （NH4F/HF/H2O) 混酸4F（HNO3/ NH4F/HF/H2O） 鋁腐蝕液（HNO3/H3PO4/CH3COOH) 熱磷酸（H3PO4) KOHCompany Confidential 15Do Not Copy濕法刻蝕的優(yōu)點及缺點濕法刻蝕的優(yōu)點及缺點優(yōu)勢優(yōu)勢 Advantage-設備簡單 -可靠性-低成本-大通量-高選擇

7、比 缺點缺點 Disadvantage-各向同性刻蝕 -CD難控制 -刻蝕度（過刻）不易控制 -不能應用于小尺寸-操作困難及危險-環(huán)境污染Company Confidential 16Do Not Copy生產(chǎn)線上的主要用途 大尺寸圖形腐蝕，例埋層（BL） 氧化層漂凈,例外延前氧化層漂凈 SiN剝離 引線孔、通孔斜面腐蝕 壓點腐蝕Company Confidential 17Do Not Copy主要控制參數(shù)主要控制參數(shù) 主要控制參數(shù) 腐蝕速率 溶液溫度（熱交換器、循環(huán)裝置） 溶液濃度（添加試劑、加工片量、放置時間） 腐蝕時間 人工計算 終點控制Company Confidential 18D

8、o Not Copy刻蝕的方向性刻蝕的方向性各向同性(ISOTROPIC)各向異性(ANISOTROPIC)Company Confidential 19Do Not Copy干干 法法 刻刻 蝕蝕 干法刻蝕原理 什么是等離子體 常見刻蝕設備 干法刻蝕基本方法 側壁保護刻蝕 終點控制（End Point Detection） 優(yōu)點及缺點 生產(chǎn)線應用Company Confidential 20Do Not Copy干法刻蝕干法刻蝕（DRY ETCHING）l 等離子干法刻蝕的原理可以概括為以下幾個步驟： 在低壓下，反應氣體在射頻功率的激發(fā)下，產(chǎn)生電離并形成等離子體，等離子體是由帶電的電子和離子

9、組成，反應腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉變成離子外，還能吸收能量并形成大量的活性基團（Radicals） 活性反應基團和被刻蝕物質(zhì)表面形成化學反應并形成揮發(fā)性的反應生成物 反應生成物脫離被刻蝕物質(zhì)表面，并被真空系統(tǒng)抽出腔體。l 各向異性刻蝕各向異性刻蝕Company Confidential 21Do Not Copy什么是等離子體什么是等離子體等離子體是低壓氣體(一般 1 torr)在外界電場(DC, AC, RF, wave)作用下，局部氣體發(fā)生電離而產(chǎn)生的；它由正離子，電子，中性原子，中性分子組成。Company Confidential 22Do Not Copy電離 Ioniza

10、tion分裂 Dissociation激發(fā) ExcitationCompany Confidential 23Do Not Copy桶式等離子刻蝕機桶式等離子刻蝕機Company Confidential 24Do Not Copy平板式等離子刻蝕機平板式等離子刻蝕機Company Confidential 25Do Not CopyHigh density plasma (HDP) systemECR vs ICP ECR was introduced at OPT in 1985.ICP was introduced much later (1991- 1995) for plasma p

11、rocessing.most important with both: independent control of ion energy and ion current densitylower (substrate) electrode grounded, RF driving opt.Electron CyclotronResonance (ECR)Inductively coupledplasma (ICP)Company Confidential 26Do Not Copy等離子刻蝕的基本方法等離子刻蝕的基本方法 1.化學刻蝕化學刻蝕 Chemical Etching 2.物理刻蝕物

12、理刻蝕 Sputtering Etching 3.離子增強刻蝕離子增強刻蝕 Ion Enhanced Etching RIE 反應離子刻蝕反應離子刻蝕 MERIE 磁場增強反應離子刻蝕磁場增強反應離子刻蝕 ECR 電子回旋共振刻蝕電子回旋共振刻蝕 ICP 感應耦合等離子體刻蝕感應耦合等離子體刻蝕Company Confidential 27Do Not Copy1.化學刻蝕化學刻蝕 Chemical 氣體被離子化，形成等離子體。 等離子體中的活性基團與基板物質(zhì)反應，生成揮發(fā)性物質(zhì)被抽走。 各向同性 純化學反應 選擇比高 反應壓力高 通量大 低電子損傷 例：等離子去膠Company Confid

13、ential 28Do Not Copy2.物理刻蝕物理刻蝕 Sputtering 離子在電場作用下通過離子轟擊，撞出襯底原子。 純物理反應 各向異性 選擇比差 反應壓力低 單片工藝 刻蝕速率低 例：反濺射Company Confidential 29Do Not Copy3.離子增強刻蝕離子增強刻蝕 Ion Enhanced Etching 離子轟擊增加活性基團與基板材料的反應 損傷增加生成物的揮發(fā) 化學濺射 以化學方式增加物理濺射 離子反應Company Confidential 30Do Not Copy等離子刻蝕的的速率比較Company Confidential 31Do Not C

14、opy等離子刻蝕各種效果圖等離子刻蝕各種效果圖Company Confidential 32Do Not Copy各種等離子刻蝕比較Company Confidential 33Do Not Copy干法刻蝕材料、氣體及產(chǎn)物干法刻蝕材料、氣體及產(chǎn)物Company Confidential 34Do Not Copy側壁保護的等離子刻蝕 Protective Ion Enhanced 一層保護膜在硅片上淀積，阻止反應劑到達被刻材料表面，使反應停止 表面離子轟擊破壞保護膜，使反應繼續(xù)。 側壁由于離子轟擊能量小，無法破壞，因此反應停止 不揮發(fā)的高分子膜 -(N2 , HBr, BCl3, CH3F

15、.) Company Confidential 35Do Not Copy側壁保護刻蝕過程側壁保護刻蝕過程Company Confidential 36Do Not Copy側壁保護效果圖側壁保護效果圖 HCl/O2/BCl3 Chemistry SF6/ CFCl3 Chemistry Company Confidential 37Do Not Copy終點偵測終點偵測(End Point Detection) 干法刻蝕不像濕法刻蝕，有很高的選擇比，過度的刻蝕會損傷下一層材料，因此，蝕刻時間就必須正確無誤的掌握；另外，機臺狀態(tài)的些微變化，如氣體流量、溫度、或晶片上材料一批與一批間的差異，都會

16、影響刻蝕時間的控制，因此，必須時常檢測刻蝕速率的變化；使用終點偵測器的方法。可以計算出刻蝕結束的正確時間，進而準確地控制過度刻蝕的時間，以確保多次刻蝕的再現(xiàn)性。 常見的終點偵測有三種方法： 1. 光學放射頻譜分析(Optical Emission CO-483.5nm AL-396nm) 2. 雷射干涉量度分析(Laser ) 3. 質(zhì)譜分析(Mass Detection) Laser 利用雷射光垂直射入透明的簿膜，在透明簿膜前被反射的光線與穿透簿膜后被下層材料反射的光線相干涉時，來偵測終點。Company Confidential 38Do Not CopySF6 刻蝕刻蝕 放射光譜圖放射光

17、譜圖Company Confidential 39Do Not Copy典型終點檢測曲線圖典型終點檢測曲線圖Company Confidential 40Do Not Copy等離子刻蝕負載效應 宏觀效應 單位面積反應濃度 微觀效應 濺射材質(zhì) 聚合物 生成物擴散Company Confidential 41Do Not Copy干法刻蝕的優(yōu)點及缺點干法刻蝕的優(yōu)點及缺點優(yōu)點 Advantages: 沒有光刻膠支持問題 各向同性刻蝕 化學物品消耗少 反應生成物處理成本低自動化程度高程度高 缺點 Disadvantages: 設備復雜， RF, 氣體系統(tǒng)氣體系統(tǒng),真空系統(tǒng)真空系統(tǒng),選擇比低殘渣、聚合

18、物、重金屬產(chǎn)生顆粒使用氟系、氯系氣體使用氟系、氯系氣體 Company Confidential 42Do Not Copy干法刻蝕在生產(chǎn)線上主要應用干法刻蝕在生產(chǎn)線上主要應用 光刻膠剝離 （干法去膠）Organic stripping 硅刻蝕 Silicon etching 介質(zhì)層刻蝕Dielectric etching (SiO2, Si3N4, etc.) 金屬刻蝕 Metal etching Company Confidential 43Do Not Copy干法刻蝕應用干法刻蝕應用 硅刻蝕 （單晶硅、多晶硅） -工藝 : ISO, WL, BL, Capacitor (SN, CP)

19、, Poly E/B etc -使用氣體 : Cl2, HBr, NF3, CF4, SF6, 等 金屬刻蝕 （Al,W,Ti,TiN,Pt,） -工藝: WL, BL, Cap, MLM: Al, W, Pt, Ru, Ta, etc -使用氣體 : Cl2, BCl3, CCl4, etc 介質(zhì)刻蝕（SiO2, Si3N4,PSG,BPSG,SiON ） -工藝: ISO, Contact (Poly C/T, Metal C/T, Via), Spacer ，Planar Etch Back, Pad & Repair - 使用氣體 : fluoro-compounds(CF4,

20、 CHF4, C4F8,.etc) Company Confidential 44Do Not Copy三、刻蝕工藝的發(fā)展及我公司當前刻蝕狀況三、刻蝕工藝的發(fā)展及我公司當前刻蝕狀況Company Confidential 45Do Not Copy我公司當前用到的刻蝕方法主要是濕法腐蝕與等離子刻蝕，適用于線寬1.5um以上產(chǎn)品。其中濕法腐蝕應用工序有：1、氧化層腐蝕：如BL-ET、DI-ET、EI-ET、CW-ET、CO-ET等； 所用機臺：濕法腐蝕臺（7：1 BOE）2、氮化硅去除：FN-WO 所用機臺：磷酸槽（160）3、濕法鋁腐蝕：LA-ET 所用機臺：鋁腐蝕臺4、后處理：后處理1（硝酸

21、）、后處理2（混酸4F）、 后處理3（顯影液） 所用機臺：酸槽Company Confidential 46Do Not Copy等離子刻蝕應用工序主要有：1、氧化層刻蝕：DI-ET、CO-ET、VA-ET、PA-ET等； 所用機臺：AME-8110、LAM-590、TEGAL-9032、氮化硅刻蝕：AA-ET、CA-ET等； 所用機臺： LAM-490、TEGAL-9013、鋁刻蝕：LA-ET、LB-ET。 所用機臺： AME-83304、干法去膠： 所用機臺：TEGAL-415、TEGAL-915Company Confidential 47Do Not Copy四、刻蝕四、刻蝕工藝評價項

22、目、方法與標準工藝評價項目、方法與標準 刻蝕速率 ETCH RATE 單位時間內(nèi)刻蝕掉的厚度 均勻性 UNIFORMITY 硅片內(nèi)或硅片間速率偏差程度 CD損失 CD LOSS 刻蝕前后線條的變化量 選擇比 SELECTIVITY 不同材質(zhì)之間的刻蝕速率比 過刻蝕 OVER ETCH 刻蝕干凈后額外的刻蝕量 剖面 PROFILE 刻蝕后臺階的形貌 顆粒 PARTICLE 損傷 PLASMA DAMAGE（干法刻蝕） 聚合物 POLYMER（干法刻蝕） 殘留物 RESIDUE（干法刻蝕）Company Confidential 48Do Not Copy刻蝕速率：1、穩(wěn)定性：反映工藝的可重復能力

23、，要求波動范圍在10%以內(nèi)。可以通過計算CPK大小來進行評價；2、大小：大小直接決定機臺通量，因此在穩(wěn)定性及機臺與產(chǎn)品承受能力滿足要求的情況下，應盡量提高刻蝕速率。Company Confidential 49Do Not Copy均勻性：umiformity=（max-min）/（2average) 100%1、片內(nèi)均勻性：一個硅片內(nèi)不同點間速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。2、片間均勻性：不同硅片間速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。Company Confidential 50Do Not CopyCD 損失：不同道次對CD LOSS要求不一。多數(shù)道次要求越小越好，但某

24、些道次，如引線孔等，則有特殊要求。Company Confidential 51Do Not Copy選擇比：不同材質(zhì)之間的刻蝕速率比。一般來說，所刻蝕材料對其他材料的選擇比越大越好，一般要求大于3：1。但也有例外，如我們當前所用的通孔刻蝕工藝，就要求SiO2：PR的選擇比在一定范圍內(nèi)，以保證能夠刻出斜孔來。Company Confidential 52Do Not Copy過刻蝕：因為要刻蝕材料的厚度以及刻蝕速率都會有一定的波動，為了保證刻蝕干凈，一定量的過刻蝕是必須的。過刻蝕量越多，越能保證刻蝕干凈。但過刻蝕會造成CD LOSS、還會對其它材質(zhì)造成損傷，因此過刻蝕量的確定要根據(jù)材質(zhì)與刻蝕速

25、率均勻性、CD LOSS、刻蝕選擇比等來綜合確定，一般過刻蝕量在20%-40%之間為宜。Company Confidential 53Do Not Copy剖面（臺階形貌）：臺階形貌對臺階的覆蓋能力有很大影響。評價臺階形貌的主要有：1、臺階角度（profile)：對某些道次來說，要求臺階要陡，如多晶刻蝕；對某些道次來說，則要求臺階要較緩，如引線孔刻蝕、通孔刻蝕等；臺階越陡，覆蓋能力越差，越緩，覆蓋能力越好；2、縱橫比（Aspect ratio）： AR=height of feature/width of feature=h/w 縱橫比越大，臺階越不易覆蓋。Company Confidenti

26、al 54Do Not Copy顆粒：刻蝕過程中所產(chǎn)生的塵埃。越少越好，現(xiàn)在要求干法機臺小于50顆，濕法小于30顆。Company Confidential 55Do Not Copy等離子損傷：由于干法刻蝕刻蝕選擇性差，特別是物理刻蝕。損傷程度與刻蝕的等離子強度、選擇比、刻蝕時間等因素都有關。可接受水平，不同產(chǎn)品、不同的道次要求不一樣。比如當前我們有一個產(chǎn)品就不能采用干法刻蝕，因為下面有個光敏管，干法刻蝕的損傷會影響到其性能。Company Confidential 56Do Not Copy聚合物：聚合物能夠進行側壁保護，從而刻蝕出比較陡直的臺階形貌和降低CD LOSS，但太多的聚合物會使

27、刻蝕速率降低，并在腔體及產(chǎn)品表面沉積。導致機臺PM的頻度提高，另外產(chǎn)品表面的聚合物如果未能有效去除干凈，會對產(chǎn)品性能和外觀產(chǎn)生不良影響，甚至失效。對聚合物的去除一般會采用專門的材料。Company Confidential 57Do Not Copy殘留物： 殘留物指刻蝕后殘留在產(chǎn)品表面的反應副產(chǎn)物等，其去除不干凈同樣會影響到產(chǎn)品性能與外觀。干法刻蝕時，要求反應生成物應比較容易揮發(fā)。大家都知道，銅是一種非常好的金屬連線材料，但一直未在集成電路中廣泛應用，其中很重要的一點就是其刻蝕后的反應生成物難以去除。Company Confidential 58Do Not Copy五、刻蝕工藝常見控制方法

28、五、刻蝕工藝常見控制方法1、點檢：是最基本，也是比較簡單與粗略的控制方法，通過對、點檢：是最基本，也是比較簡單與粗略的控制方法，通過對機臺一些可能影響到工藝的內(nèi)容進行檢查，從而確認設備與工藝機臺一些可能影響到工藝的內(nèi)容進行檢查，從而確認設備與工藝是否正常的方法。是否正常的方法。常用于對機臺及工藝進行初步與直觀的判定，比如設備的日常點常用于對機臺及工藝進行初步與直觀的判定，比如設備的日常點檢。檢。Company Confidential 59Do Not Copy2、SPEC：對某些相對要求較高、影響因素較多的關鍵工：對某些相對要求較高、影響因素較多的關鍵工藝參數(shù)，日常點檢正常并不能保證工藝正常

29、。則除了要進藝參數(shù)，日常點檢正常并不能保證工藝正常。則除了要進行日常點檢外，還要進行行日常點檢外，還要進行SPEC控制，如刻蝕速率等。控制，如刻蝕速率等。Company Confidential 60Do Not Copy3、SPC：采用：采用SPEC控制方法，最大的缺點是仍比較粗略，控制方法，最大的缺點是仍比較粗略，對某些關鍵參數(shù)，如果等到超出對某些關鍵參數(shù)，如果等到超出SPEC后再采取行動的話，往后再采取行動的話，往往有很多異常品已經(jīng)產(chǎn)生。往有很多異常品已經(jīng)產(chǎn)生。SPC的最大優(yōu)點就是在異常發(fā)生的最大優(yōu)點就是在異常發(fā)生之前，通過一些預警判斷，及時采取正確的行動，防止異常之前，通過一些預警判斷，及時采取正確的行動，防止異常品產(chǎn)生。品產(chǎn)生。Company Confidential 61Do Not Copy六、工藝選擇的考