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Unit Process–Etch(蚀刻)讲解

发布者: glchun | 发布时间: 2015-7-7 23:48| 查看数: 7929| 评论数: 35|帖子模式

专题-4: Unit Process–Etch(蚀刻)
小桂         4周前 (06-08) 547          1 8 [编辑]
编者注: Etch是PIE不得不好好学习的课程,玄机太多了。我曾经花太多时间研究这玩意,结果连皮毛都碰不上,每次跟人家讨论还是云里雾里~~~感谢Joph Chen,曾经的ETCH专家。

如果把黄光比作是拍照,那他就是完成了底片的功能,还需要蚀刻来帮忙把底片的图像转移到Wafer上。蚀刻通常分为Wet Etch(湿蚀刻)和Dry Etch (干蚀刻),湿蚀刻主要各向同性蚀刻(Isotropic),所以profile是横向等于纵向,但是througput比较快,选择比高,而且陈本低。

我们在8寸制程的湿蚀刻都是用来做strip,只有dual gate etch或者Silicide前面的RPO的Dry+Wet。这两个都是尺寸比较大,而且不能直接用plasma轰击Si。而干蚀刻主要用plasma离化反应气体(RIE: Reactived Ionized Etch),与被蚀刻物质反应成气态副产物被抽走(反应副产物一定的是气体,所以Cu制程无法用蚀刻。),主要用来吃小pattern的,因为他的各向异性(Anisotropic)优点,但是他的制程复杂,tune recipe factor非常困难,价格昂贵。需要澄清一点,干蚀刻的anisotropic的各项异性,不是指他吃的时候侧边就不会吃,是因为process会产生一种叫做polymer的物质,保护在侧壁使得侧边不会被吃掉。polymer的形成主要靠F-C比(氟-碳比),来控制polymer多少来进一步控制profile (F-base的比例比C-base的比例多还是少?)

蚀刻制程必须了解plasma,啥是plasma?说白了就是一群被充电了的准中性气体(类似闪电),其实就是一锅等离子汤(电浆)。在这锅汤里有电子(elctrons)的雪崩碰撞(Avalanche)用于产生和维持等离子体汤,碰撞产生的离子Ions在电场的作用下撞击(bombardment)晶园表面也达到物理蚀刻的目的,如Ar+ e -->Ar* or Ar+ 和两个电子,而另一部分被离化的ions可以作为化学反应气体,与被蚀刻物质发生化学反应产生气态副产物达到化学蚀刻的目的(如CF4+e-->CFx[+] + Fx[-] + e, F[-]+Si-->SiFx(g) )。

等离子体是会发光的哦,因为被激发的电子会再与周边的离子复合(Recombination)回到电中性过程中必须以光的形式释放能量(Light Emission)。而且各种不同能级的等离子体光波长是不一样的,所以颜色也会不一样,这样很容易用来做制程诊断(diagnostics)或者做process的结束信号探测(End-Point detection).

另外plasma里面还有个名词叫做“sheath” or “dark space”,主要是因为电子放电结束产生的黑暗区域,因为电子比离子跑得快,所以有一段距离的电子还没来得及与离子复合就跑出去了到后面才开始复合产生放电发光效应,而在开始那里还没来得及复合没有光的区域就是sheath,主要靠电场大小来balance。这里咱不是专业就不深入讲解了。

专题-4: Unit Process–Etch(蚀刻)-《芯苑》--www.ic-garden.cn

Plasma理论讲完了,就该讲硬件上怎么生成plasma了,早期的plasma,都是CCP (Capacitive-Coupled Plasma),两个电极板中间充气体加电压(是不是很像日光灯管?其实就是)。后来因为uniformity太差,在旁边加了个磁场通过洛伦磁力来改善他的电场收敛性提高了均匀性,这就是后来的MERIE (Magnetically Enhanced RIE)。但是他们的缺点是没有办法控制plamsa的密度和轰击(bombardment)强度,为了解决这个问题又发展到Dual source CCP system,用两个独立的source去decouple plasma density和bombardment。一个source叫做HF (Hi-Frequency) source用来控制plasma density,一个叫做LF (Low-Freqency) source用来控制Bombardment。

专题-4: Unit Process–Etch(蚀刻)-《芯苑》--www.ic-garden.cn



半导体发展不可能只停留在CCP (Capacitive Coupled Plasma)时代,好歹有点跨时代的进步撒。对了,后来出现了ICP (Inductive Coupled Plasma),它主要是有一个RF coil通电形成时间变化的磁场来转换成电场达到离化的目的(安培定律B vs. I, 法拉第定律: E vs 磁通量/时间),这一块我也不懂。它的好处是plasma强度比CCP高,而且它是真正意义上的decouple的plasma density和Bombardment,一个叫做Source power负责plasma density,一个叫做Bias power负责bombardement,所以没有bias power那就只有plasma,无法进行蚀刻的。(终于知道recipe里面的source power和bias power的意义了吧~~~)

专题-4: Unit Process–Etch(蚀刻)-《芯苑》花了巨大篇幅才讲完plasma,该讲讲制程了吧?(实在不想再讲hardware了,比如ESC就是E-chuck,简单点记住就是承载wafer的,背面还要负责wafer的温度控制/He or water,还有就是bias power provider and Source power grounded. 至于讲到E-chuck分mono-chuck or Bipolar chuck有兴趣大家找我私下学习吧)

Dry Etch在chamber里面的步骤为: 1. gas-in; 2. 生成plasma的Etchant (ions); 3. 通过扩散/电场等作用让ions move到wafer surface; 4. Etchant/ions吸附到表面; 5. 蚀刻反应物与被时刻物发生化学反应,6. 副产物回到等离子体环境中,7. pumping out抽走副产物。其实整个过程就是物理轰击、化学反应、polymer沉积的平衡过程,这也是PE(制程工程师)的经验和价值。

Dry Etch的制程参数:

1. profile: 理想为90度,但是容易undercut,所以一般都稍微有点体型,但要防止footing。

2. CD

3. depth

4. Etch rate,

5. Uniformity: (Max-Min)/2*AVG

6. Selectivity: 选择比,比较容易理解就是不要伤到下一层,所以下一层物质的Etch rate必须很低。

7. Microloading: 这是蚀刻特色的参数,因为plasma和ions的浓度一定的,面积大小分摊的反应Etchant就不一样,所以Etch rate肯定不一样(这叫做Etch rate loading), 而且图形密集度也导致副产物抽走的困难度不一样、polymer程度都不一样,所以自然profile就有差了(这叫做profile loading)。这个非常非常重要,我学了很多久。

End-point: 这也是干蚀刻的重点,你总不能无止境吃吧,如何判断吃完了?前面讲过不同物质的等离子会有不同波长的光,所以反应物和副产物气体形成的plasma的光波长是不一样的,所以就是靠信号转变来抓是否完成。举个离子,如果我们吃poly,所以副产物应该是SiF4气体的等离子波长,如果poly吃完了,自然信号突然下降,就被detect到了。

专题-4: Unit Process–Etch(蚀刻)-《芯苑》--www.ic-garden.cn

最后讲一下在flow里面的etch用途吧,主要分为Dielectric Etch(介质蚀刻,如oxide, contact, Via, Passivation), Conductor Etch (导体蚀刻,  如Si, poly, Metal, ), Strip/Ashing (去光阻)。

Etch主要用到的gas,只写guideline略细节。

1. BARC: O2/CF4

2. OX/SiN: CxFy, CxHFy (不同的数字,主要用来控制F-C比)

3. Poly、Si: Cl2/HBr (HBr用来生成polymer,也会通入F-base gase等控制profile)

专题-4: Unit Process–Etch(蚀刻)-《芯苑》

4. Oxide: CxFy/CxHFy (F-C ratio concern)

5. Metal/Al: BCl3, Cl2, .......

最后Etch步骤,不写了,,,累了。给我点鼓励吧。

希望大家多去google上搜索学习,这些都是有的,只要有心,你们都能找到你们想要的资料,我们一起学习吧。
      
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CCP plasma.png
ICP plasma.png
Polymer F-C ratio.png

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最新评论

douyongming 发表于 2016-11-2 14:35:10
讲解的很详细,非常感谢!

只是,如果能再多讲解点硬件方面的技术,比如RF Power设置这块和process parameter、process specification之间联系的技术就更好了。

还有,能否请教下在dre etch中经常用来控制profile的生成物polymer究竟是怎么回事,是什么成分,形成机理之类的技术最好也能给讲解一下!

谢谢!
Biboking 发表于 2015-8-12 20:57:37
hao,henhao
zipperzinc 发表于 2015-8-14 09:12:24
学习了,谢谢
guochenchen125 发表于 2015-8-23 12:33:36
挺好的,很有帮助。赞一个
QXXLEE 发表于 2016-1-6 10:19:28
学习了
Aixtron2012 发表于 2016-5-18 21:06:52
刚到ICP刻蚀,对这个感觉云里雾里啊
pump 发表于 2016-6-20 15:35:03
学习
pump 发表于 2016-6-20 15:41:52
good
55rookie 发表于 2016-6-21 22:43:46
挺好的,很有帮助。赞一个
55rookie 发表于 2016-6-21 22:45:23
学习了,谢谢
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