[科普中国]-干腐蚀

概述

铝金属系统如果暴露在潮湿环境的离子污染物中就会被腐蚀。只要有微量的水就能引发所谓的干腐蚀。一旦离子和潮湿污染物都存在，集成电路就必须依靠它的封装来保护自己。早期的塑封化合物对潮湿的抵抗能力很小。新的化合物有更高的抗渗透性。但是，如果有足够的时间，潮湿最终将穿透任何塑料封装。

所有现代的集成电路都覆盖着保护层来作为第二层防潮屏障。不幸的是，在这保护层上必须有开口让焊线连上芯片。熔丝调整时，还需要在保护层上有额外的开口。所有这些开口都为污染接近芯片提供了潜在的路径。

干法腐蚀常称为等离子腐蚀，主要包括等离子体腐蚀、离子铣蚀、溅射腐蚀、反应离子束腐蚀和反应离子腐蚀(也称反应溅射腐蚀)。按腐蚀机构可分为：

(1)离子腐蚀技术，包括溅射腐蚀和离子铣蚀，其腐蚀机构是物理溅射；因而也称物理溅射腐蚀；

(2)等离子体腐蚀技术(包括圆筒型和平板型反应器)，是在腐蚀衬底表面产生纯化学反应，进行腐蚀；

(3)反应腐蚀技术，包括反应离子腐蚀和反应离子柬腐蚀，它们都不同程度地涉及到化学反应(形成挥发性或准挥发性混合物)和物理溅射效应(例如离子轰击)。

无论哪种腐蚀技术，都是利用低压( 托)气体放电，形成等离子体，作为干腐蚀技术的基础，它们之间的区别只是具体的放电条件，气体类型和所用反应系统不同，腐蚀反应的模式都取决于系统压力、温度、气流、功率和相关的可控参数，因此，这些腐蚀技术常简称为等离子腐蚀。

基本原理对通有适当气俸的真空系统，加上大于气体击穿临界值的高频电场，在强电场作用下，气体分子激发电离，即被高频电场加速的杂散电子与气体分子或原子进行随机碰撞，当电子能量大到一定程度时，随机碰撞变为非弹性碰撞，产生二次电子发射，’它们又进一步与气体分子碰撞，不断激发或电离气体分子，这种激烈碰撞引起电离和复合，当电子的产生和复合过程达到平衡时，放电能继续不断的维持下去。这里感兴趣的是由非弹性碰撞产生的离子、电子及游离基(游离态的原子、分子或原子团)，通常将处于这种提态的气体称为等离子体。

等离子体中的游离基具有很强的化学活泼性，因此，在这种气体等离子体中引入固态样品时，样品表面的原子就和等离子体中的激发态游离基起化学反应，形成挥发性物质，这就使样品表面层受到腐蚀。

考虑氟游离基对硅衬底或多晶硅的腐蚀，若用氟里昂( )作反应气体，反应系统的压力为几毫托到1～2托，在高频功率偿用下产生等离子体气体放电，其中有些氟游离基与硅表面靠得很近。由于这些游离基含有未填满的电子壳层，它们的化学活泼性也很强。因此，这种游离基很容易与硅表面发生化学反应，形成 腐蚀掉硅。 是一种极易挥发的物质，可以由真空泵抽出，从而完成等离子体化学腐蚀的全过程。氟里昂( )腐蚀硅的主要化学反应是： 惰性气体经电子碰撞产生电离。

或

形成氟游离基，然后与硅反应：

上述反应由两步构成，第一步是(氟里昂14)在等离子加速场中不断与电子碰撞而离解成F游离基，第二步是硅原子和4个氟游离基进符化学反应，形成 挥发性气体。2

干腐蚀副作用辐射损伤在等离子腐蚀过程中，衬底要承受高能电子、离子和光子的轰击，使器件产生不应有的损伤。栅氧化层和界面对这些粒子辐照引起的损伤特别敏感。辐射损伤的主要形式有：

(1)高能离子碰撞引起原子迁移，产生原子位移损伤，对于皮应腐蚀，这种损伤通常在腐蚀表面以下100A的范围内发生；

(2)一次电离。逸种损伤主要是由乎深紫外光和软射线的辐照，使键断裂，产生电子空穴对；

(3)二次电离。由原子位移而产生电子，或者由一次电离与网格中的缺陷相互作用产生电子。上述每种损伤产生几乎相同的电缺陷(正电荷陷阱及中性陷阱)。前者引起阈电压和平带电压的漂移，后者捕获高能电子。

当栅氧化层直接暴露手离子能量高达400电子伏特的反应等离子体中时，未观察到栅氧化层的原子位移损伤，这可能是损伤层已被腐蚀掉。然而，已经证明，离子和光子损伤产生空穴陷阱和中性陷阱，在400℃温度下退火可以消除空穴陷阱，而中性陷阱要在600℃或更高的温度下退火，才能消除，因此，对于用Al作栅电极的情况，就难以去除这种损伤。

当栅氧化层直接暴露于非反应型等离子体中时；出现原子位移损伤，在1000℃(中)的高温下退火，可以消除这种原学位移损伤。

在实际的器件制造中，对辐照敏感的栅氧化层总有栅金属保护(最典裂的是多晶硅)，高能离子一般不能穿过栅金属而损伤氧化层。业已证明，用多晶硅或铝保护的氧化层，在活性离子腐蚀期间，这些栅电极材料能有效地屏蔽氧化层，避免辐射损伤，只是在电极的边缘部分受到一些损伤。此外，腐蚀后的某些高温过程，也起了消除损伤的作用。

当腐蚀在铝金属化之后进行时，所产生的损伤不能用低温退火予以消除。对于这种情况，进行反应腐蚀的最高电压应低于产生损伤的阈电压，这个阈电压与具体的器件结构及腐蚀掩模有关。

聚合物沉积在卤化碳气体放电过程中，产生的非饱和(缺卤)物质；迅速地和衬底表面反应，生成聚合物膜。例如，游离基反应生成氟化碳薄膜；显然，如果这种薄膜沉积在要腐蚀的衬底上，就会阻止腐蚀的继续进行。另一方面，如果使这种聚合物有选择的沉积在腐蚀掩模或不需要腐蚀的部分，就可以获得高选择性腐蚀。

通常，过量的非饱和物质，低能离子以及还原条件可促使聚合膜的淀积。因此，对某些气体(例如)，聚合膜可以淀积在按地电极或浮置物表面，而不淀积在高能离子轰击的射频功率电极上。类似地，聚合物可能淀积在硅表面，而不淀积在表面，因为腐蚀过程中释放的氧和非饱和基质反也生成挥发性产物。

当然，沉积在反应器表面的聚合物，将吸附空气中的污染物。特别是吸附的水汽，在随后的腐蚀中又释放出气态物质，影响腐蚀，又如系统中沉积的氟化碳薄膜，会在等离子体中释放出大量的F原子。

杂质沾污通常，反应腐蚀系统的内表面都受离子轰击，并产生溅射现象。特别是重金属离子(例如不锈钢系统)沾污，会严重降低少数载流子寿命．影响器件性能。不挥发性材料溅射沉积到衬底表面，会阻止甚至完全中止腐蚀。当进行各向异性腐蚀时，即使是微小的沾污也会引起严重的问题。聚合膜(有时甚至只有几个原子层厚)也使器件沾污。因此，一般在干腐蚀之后，必须立即进行湿法化学清洗，以去除各种沾污，特别要注意清洗干净细线条接触窗的的沾污物。2

影响水本身不会腐蚀铝，但是溶解在水中的众多离子会形成腐蚀。含有5%磷的磷硅酸盐玻璃就有被腐蚀的危险，因为潮湿会使玻璃中的磷流失而产生磷酸。这种酸迅速地攻击并融解铝，造成开路失效。很多现代的工艺使用氮或者氧氮化合物保护层来确保潮湿不接近上面的磷硅酸盐玻璃。可以考虑的是，通过使用硼和磷作为组合掺杂物来减少玻璃中的磷。这两种元素都会减少玻璃上的软化点，因此硅硼磷玻璃(BPSG)比磷硅酸盐玻璃需要较少的磷来达到相同的软化点。

在水环境中的卤素离子同样能腐蚀铝。通常的盐，或者氯化钠，提供了丰富的氯化物来源。潮湿渗透进集成电路的封装，能输送氯化物到芯片的表面，并开始腐蚀铝金属系统。在环境中通常不会出现大量的溴化物。但是塑料封装通常包含有机溴化物的防燃剂。这些防燃剂在温度达到250℃时会分解，并释放出溴离子，这就限制了这些封装可以安全抵挡的储存和焊接的温度。

预防措施尽管看上去污染完全超出了版图设计者的控制，但还是有一些措施能使保护层(PO)受到的损害最小。设计者应该最大限度地减小保护层开口的数量和尺寸。芯片不应该包含任何不必要的开口。如果设计者希望包含附加的测试焊盘来做评估，那么这些焊盘应该放在一张测试掩膜上。当这一器件已经投放生产，那么测试掩膜就应该用产品的保护层掩膜替代，从而把测试焊盘密封在保护层下面。

各边都应该以足够裕量的金属层覆盖焊盘开口，从而应对对准误差。金属焊盘会保护下面的氧化层避免潮湿和其他污染的损害。为多晶硅和金属熔丝而开的窗口越小越好。在开口处除了熔丝不能出现任何其他的电路。1

干腐蚀在学术文献中的解释

1、有水或水溶液参与的叫湿腐蚀,在高温下被腐蚀性气体,如氧气、COZ,硫气体所腐蚀称为干腐蚀.由湿腐蚀生成的产物称为锈,因其颜色又可以分为红锈、白锈、蓝锈 。

2、干腐蚀是指在干气体（通常是高温）或非水溶液中的腐蚀.因此高温腐蚀也是腐蚀领域中一个严重的问题。