半導體器件工藝學之刻蝕

會計學1半導體器件工藝學之刻蝕§6-1刻蝕的概念一、基本概念刻蝕：去除材料用化學的或物理的或化學物理結合的方式有選擇的去除（光刻膠開出的窗口）整體剝離或反刻被刻蝕的材料：介質硅金屬光刻膠第1頁/共38頁刻蝕工藝：濕法刻蝕：大尺寸（＞3μm尺寸）整體剝離或去除干法刻蝕后的殘留物等干法刻蝕：形成亞微米尺寸目前用來形成圖形主要方法第2頁/共38頁二、刻蝕參數(shù)刻蝕速率刻蝕剖面刻蝕偏差選擇比均勻性第3頁/共38頁1.刻蝕速率刻蝕速率：去除材料的速度單位：A/min公式：△T/t第4頁/共38頁2.刻蝕剖面刻蝕剖面：刻蝕后圖形的側壁形狀各向同性各向異性各向異性對制作亞微米器件很關鍵高的各向異性，可以形成88°—89°垂直度的側壁

各向異性各向同性第5頁/共38頁3.刻蝕偏差刻蝕后線寬或關鍵尺寸間距的變化通常是由橫向鉆蝕引起。第6頁/共38頁4.選擇比選擇比：兩種材料刻蝕速率的比公式：S=Er/Ef高選擇比意味著只刻除想要刻去得那層材料。高選擇比對于確保關鍵尺寸和剖面控制是必需的，要制造的關鍵尺寸越小，選擇比要求越高第7頁/共38頁5.均勻性衡量刻蝕工藝在整個硅片上，或整個一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù)保持硅片的均勻性是保證制造性能一致的關鍵難點在于在刻蝕具有不同圖形密度的硅片上保持均勻性第8頁/共38頁（微負載效應）深寬比相關刻蝕：具有高深寬比硅槽的刻蝕速率要比低深寬比硅槽的刻蝕速率慢對于高深寬比的圖形窗口，化學刻蝕劑難以進入，反應生成物難以出來第9頁/共38頁刻蝕均勻性的檢測第10頁/共38頁§6-2刻蝕工藝一、濕法刻蝕液體化學試劑（酸、堿和溶劑等）以化學方式去除硅片表面材料反應產(chǎn)物必須是易揮發(fā)性的或可溶于刻蝕劑的物質，否則會成為沉淀，影響刻蝕的進行第11頁/共38頁特點：各向同性難以精確控制線寬和獲得精細圖形安全性光刻膠脫落難控制參數(shù)化學試劑處理高選擇性無離子體損傷設備簡單方式：浸泡噴射應用：通常用于大尺寸刻蝕（＞3μm尺寸），一般用于整體剝離或去除干法刻蝕后的殘留物等第12頁/共38頁二、干法刻蝕利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基(處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團等)與材料發(fā)生化學反應或通過轟擊等物理作用而達到刻蝕的目的特點：橫向鉆蝕小，無化學廢液，分辨率高，細線條，操作安全，簡便；處理過程未引入污染；易于實現(xiàn)自動化，表面損傷小。缺點:成本高,設備復雜。第13頁/共38頁刻蝕方式：等離子刻蝕：利用放電產(chǎn)生的游離基與材料發(fā)生化學反應，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差濺射與離子束銑蝕：通過高能惰性氣體離子的物理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差反應離子刻蝕(RIE)：通過活性離子對襯底的物理轟擊和化學反應雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點，同時兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點。目前，RIE已成為VLSI工藝中應用最廣泛的主流刻蝕技術。第14頁/共38頁化學和物理干法刻蝕機理第15頁/共38頁干法刻蝕設備化學桶式下游式物理離子束刻蝕物理和化學反應離子刻蝕高密度等離子刻蝕第16頁/共38頁圓桶式刻蝕系統(tǒng)化學各向同性刻蝕高選擇比等離子誘導損傷小用于硅片表面去膠，氧是去膠的主要刻蝕劑第17頁/共38頁下游式刻蝕系統(tǒng)化學各向同性刻蝕用于去膠或去除非關鍵層下游刻蝕的目的是減少或消除等離子體帶來的損傷而使硅片曝露在等離子體中的時間最少第18頁/共38頁離子束刻蝕系統(tǒng)具有強方向性等離子體的一種物理刻蝕機理小尺寸各向異性低選擇比低產(chǎn)能通常用于金，鉑和銅等難刻蝕的材料第19頁/共38頁反應離子刻蝕系統(tǒng)采用化學反應和物理離子轟擊去除硅片表面材料的技術具有較好的各向異性側壁圖形通常用于單晶硅槽的刻蝕第20頁/共38頁高密度等離子體刻蝕系統(tǒng)先進的IC技術中刻蝕關鍵層最主要的刻蝕方法是采用單片處理的高密度等離子體刻蝕技術高密度等離子體刻蝕可以在高深寬比圖形中獲得各向異性刻蝕第21頁/共38頁標準等離子體刻蝕，對于0.25μm以下尺寸，刻蝕基難以進入高深寬比圖形，刻蝕生成物難以從高深寬比圖形出來。解決：低壓，以增加氣體分子和離子的平均自由程。但同時由于壓力減少而減少了離子密度，從而降低了刻蝕速率，所以采用高密度等離子體技術，以產(chǎn)生足夠的離子，從而獲得可接受的刻蝕速率傳統(tǒng)等離子體，離化度是在0.01%—0.1%。而高密度等離子體能產(chǎn)生較大的刻蝕基分解，獲得高達10%的離化率第22頁/共38頁磁增強反應離子刻蝕系統(tǒng)第23頁/共38頁電子回旋共振刻蝕系統(tǒng)第24頁/共38頁感應耦合式等離子體刻蝕系統(tǒng)第25頁/共38頁終點檢測干法刻蝕對下層材料沒有好的選擇比，需要終點檢測來監(jiān)測刻蝕工藝并停止刻蝕以減少對下層材料的過度刻蝕終點檢測系統(tǒng)測量一些不同的參數(shù)，如刻蝕速率的變化，產(chǎn)物的類型等第26頁/共38頁§6-3材料刻蝕材料刻蝕有：金屬刻蝕，介質刻蝕和硅刻蝕介質刻蝕：（如SiO2）接觸孔和通孔制作需要刻蝕介質硅刻蝕：如：刻蝕多晶硅晶體管柵和硅槽電容金屬刻蝕：如：金屬層上去除鋁合金，制作互連線光刻膠剝離第27頁/共38頁一、介質刻蝕對于200mm以上的硅片，銅互連采用雙層大馬士革技術，層間介質的溝槽刻蝕和低K介質刻蝕是技術難題介質刻蝕通常是制作接觸孔和通孔，要求刻蝕出高深寬比的窗口氧化物的刻蝕困難之一在于難以獲得對下層材料（通常是硅、氮化硅或一層抗反射涂層）的高選擇比 為了防止形成傾斜的側墻，獲得高的氧化硅/光刻膠的選擇比很重要第28頁/共38頁二、硅的刻蝕主要是制作MOS柵結構的多晶硅柵和制作器件隔離或DRAM電容結構中的單晶硅槽多晶硅柵的刻蝕工藝必須對下層柵氧化層有高的選擇比并具有非常好的均勻性和可重復性，同時要求高度的各向異性單晶硅刻蝕主要用于制作溝槽，如器件隔離溝槽或DRAM中高密度的垂直電容的制作。在高密度IC中要求數(shù)百萬個溝槽具有一致的光潔度，接近的垂直側壁，正確的深度和圓滑的溝槽頂角和底角第29頁/共38頁多晶硅柵第30頁/共38頁在多晶硅柵刻蝕中不期望的微槽第31頁/共38頁單晶硅槽第32頁/共38頁三、金屬刻蝕高刻蝕速率（大于1000nm/min）對下層的高選擇比，對掩膜層（＞4：1）和層間介質（＞20：1）高的均勻性，CD控制很好，沒有微負載效應沒有等離子體誘導充電帶來的器件損傷殘留物污染少不會腐蝕金屬第33頁/共38頁鋁和金屬復合層刻蝕第34頁/共38頁鎢的刻蝕第35頁/共38頁四、去膠濕法去除：剝離光刻膠是濕法去除光刻膠的一種基本方法由于化學藥品所需的管理和處理，使用濕法去除不合算通常干法刻蝕前，光刻膠表面都