微電子工藝16zhang課件

第十六章刻蝕學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、刻蝕的9個(gè)重要參數(shù)；2、解釋干法刻蝕，包括它的優(yōu)點(diǎn)，以及它是如何進(jìn)行的；3、描述7種干法等離子體刻蝕設(shè)備；4、解釋高密度等離子體（HDP）刻蝕的好處，4種HDP刻蝕機(jī)；5、舉出介質(zhì)、硅和金屬干法刻蝕的實(shí)際例子；6、濕法刻蝕及應(yīng)用；7、刻蝕檢查以及相關(guān)的重要的質(zhì)量測(cè)量方法。第十六章刻蝕：16.1引言刻蝕：利用化學(xué)或物理的辦法有選擇的去除不需要材料的工藝過(guò)程?？涛g的要求取決于要制作的特征圖形的類型，特征尺寸的縮小使刻蝕工藝中對(duì)尺寸的控制要求更嚴(yán)格。大馬士革工藝重點(diǎn)在于介質(zhì)的刻蝕而不是金屬的刻蝕?？涛g在CMOS技術(shù)中的應(yīng)用PhotoresistmaskFilmtobeetched(a)Photoresist-patternedsubstrate(b)SubstrateafteretchPhotoresistmaskProtectedfilm第十六章刻蝕：16.1引言刻蝕工藝：干法刻蝕、濕法刻蝕從材料來(lái)劃分，刻蝕分為金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕和硅刻蝕有圖形刻蝕、無(wú)圖形刻蝕16.2刻蝕參數(shù)刻蝕速率刻蝕剖面刻蝕偏差選擇性均勻性殘留物聚合物等離子體誘導(dǎo)損傷顆粒沾污和缺陷

刻蝕速率TStartofetchEndofetcht=elapsedtimeduringetchT=changeinthickness光刻膠對(duì)刻蝕劑有高抗蝕性具有垂直刻蝕剖面的各向異性刻蝕Anisotropicetch-etchesinonlyonedirectionResistSubstrateFilmFigure16.5

濕法刻蝕和干法刻蝕的側(cè)壁剖面Table16.1

刻蝕偏差(b)BiasSubstrateResistFilm(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaFigure16.6

刻蝕選擇比S=EfErEfNitrideOxideErFigure16.8

刻蝕均勻性Measureetchrateat5to9locationsoneachwafer,thencalculateetchuniformityforeachwaferandcomparewafer-to-wafer.Randomlyselect3to5wafersinalotFigure16.9

聚合物側(cè)壁鈍化來(lái)提高各向異性PlasmaionsResistOxidePolymerformationSiliconFigure16.10

第十六章刻蝕：16.3干法刻蝕干法刻蝕優(yōu)點(diǎn)：1、刻蝕剖面具有各向異性，具有非常好的側(cè)壁剖面控制；2、好的CD控制；3、最小的光刻膠脫落或粘附問(wèn)題；4、好的片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕均勻性；5、較低的化學(xué)制品使用和處理費(fèi)用干法刻蝕缺點(diǎn)：對(duì)下層材料的差刻蝕選擇比、等離子體損傷以及昂貴的設(shè)備硅片的等離子體刻蝕過(guò)程8) By-productremoval1) EtchantgasesenterchamberSubstrateEtchprocesschamber2) Dissociationofreactantsbyelectricfields5) Adsorptionofreactiveionsonsurface4) Reactive+ionsbombardsurface6) SurfacereactionsofradicalsandsurfacefilmExhaustGasdeliveryRFgeneratorBy-products3) Recombinationofelectronswithatomscreatesplasma7) Desorptionofby-productsCathodeAnodeElectricfieldllAnisotropicetchIsotropicetchFigure16.11

化學(xué)和物理的干法刻蝕機(jī)理反應(yīng)正離子轟擊表面原子團(tuán)與表面膜的表面反應(yīng)副產(chǎn)物的解吸附各向異性刻蝕各向同性刻蝕濺射表面材料化學(xué)刻蝕物理刻蝕Figure16.12

刻蝕機(jī)輝光放電區(qū)域原理圖和電勢(shì)分布Plasma(+Vp)IonsheathRFPoweredelectrode(Vt)Groundedelectrode-V0+VVpVtFigure16.13

刻蝕參數(shù)的影響Table16.4

第十六章刻蝕：16.4刻蝕反應(yīng)器干法刻蝕等離子體反應(yīng)器類型：1、圓筒式反應(yīng)器；2、平板（平面）反應(yīng)器；3、順流刻蝕系統(tǒng)；4、三極平面反應(yīng)器；5、離子銑；6、反應(yīng)離子刻蝕；7、高密度等離子體刻蝕機(jī)平板（平面）等離子刻蝕機(jī)RootspumpProcessgasesExhaustGas-flowcontrollerPressurecontrollerGaspanelRFgeneratorMatchingnetworkMicrocontrollerOperatorInterfaceGasdispersionscreenElectrodesEndpointsignalPressuresignalRoughingpumpWaferFigure16.15

順流刻蝕系統(tǒng)PlasmachamberDiffuserWaferchuckHeatlampTovacuumsystemMicrowaveenergyMicrowavesource2.45MHzFigure16.16

平行板RIE反應(yīng)器RFgeneratorWaferPoweredelectrode(cathode)Groundedelectrode(anode)Ar+(physicaletchcomponent)F(chemicaletchcomponent)Figure16.19

高密度等離子體刻蝕機(jī)

PhotographcourtesyofAppliedMaterials,MetalEtchDPSPhoto16.1

電子回旋加速反應(yīng)器的原理圖Microwavesource2.45MHzWaveguideDiffuserQuartzwindowElectrostaticchuckCyclotronmagnetPlasmachamberWaferAdditionalmagnet13.56MHzVacuumsystemRedrawnfromY.Lii,“Etching,”ULSITechnology,ed.byC.Chang&S.Sze,(NewYork:McGraw-Hill,1996),p.349.電感耦合等離子刻蝕機(jī)ElectromagnetDielectricwindowInductivecoilBiasedwaferchuckRFgeneratorBiasRFgeneratorPlasmachamber雙等離子源(DPS)DecoupledplasmachamberTurbopumpLowerchamberCathodeWaferCapacitively-coupledRFgenerator(biaspower)Inductively-coupledRFgenerator(sourcepower)RedrawnfromY.Yeetal,ProceedingsofPlasmaProcessingXI,vol.96-12,ed.byG.MathadandM.Meyyappan(Pennington,NJ:TheElectrochemicalSociety,1996),p.222.磁增強(qiáng)反應(yīng)等離子刻蝕機(jī)(MERIE)Electromagnet(1of4)13.56MHzBiasedwaferchuckWaferRedrawnfromWet/DryEtch(CollegeStation,TX:TexasEngineeringExtensionService,1996),p.165.干法刻蝕系統(tǒng)評(píng)價(jià)EndpointdetectionNormaletchChangeinetchrate-detectionoccurshere.Endpointsignalstopstheetch.TimeEtchParameterFigure16.24

第十六章刻蝕：16.4.9終點(diǎn)檢測(cè)等離子刻蝕中被激發(fā)的基團(tuán)的特征波長(zhǎng)介質(zhì)刻蝕OxideSiliconNitride硅刻蝕PolysiliconSingle-CrystalSilicon金屬刻蝕AluminumandMetalStacksTungstenEtchbackContactMetalEtch

第十六章刻蝕：16.5干法刻蝕應(yīng)用第十六章刻蝕：16.5干法刻蝕應(yīng)用干法刻蝕的特點(diǎn)：1、對(duì)不需刻蝕材料的高選擇比；2、可接受的刻蝕速率；3、好的側(cè)壁剖面控制；4、好的片內(nèi)均勻性；5、低的器件損傷；6、寬的工藝制造窗口干法刻蝕的特征參數(shù)設(shè)備參數(shù):EquipmentdesignSourcepowerSourcefrequencyPressureTemperatureGas-flowrateVacuumconditionsProcessrecipe其它相關(guān)因素:CleanroomprotocolOperatingproceduresMaintenanceproceduresPreventivemaintenanceschedule工藝參數(shù):Plasma-surfaceinteraction: -Surfacematerial -Materialstackof differentlayers -Surfacetemperature -Surfacecharge -SurfacetopographyChemicalandphysicalrequirementsTime質(zhì)量指標(biāo):EtchrateSelectivityUniformityFeatureprofileCriticaldimensionsResiduePlasma-etchingawaferFigure16.25

介質(zhì)刻蝕：氧化物刻蝕反應(yīng)器CF4C3F8C4F8CHF3NF3SiF4ArWafer靜電吸盤(pán)Plasma炭氟化合物和碳?xì)浠衔锏倪x擇HFCF2FCHFCH4Figure16.26

不同深度的接觸孔刻蝕接觸孔SDGFigure16.28

硅的干法腐蝕:CF4多晶硅導(dǎo)體長(zhǎng)度多晶硅柵柵氧柵長(zhǎng)確定溝道長(zhǎng)度并定義源漏電極的邊界DrainSourceGateFigure16.29

多晶硅柵刻蝕步驟1. 預(yù)刻蝕：去除自然氧化層和表面污染物；2. 主刻蝕：在不損傷柵氧化層的條件下，刻蝕大部分的多晶硅膜；3. 過(guò)刻蝕：去除殘留物和剩余多晶硅。

在多晶硅刻蝕中不期望的微槽SubstratePolyResistGateoxideIonsTrenchingateoxide硅氧化層選擇比：大于150:1去殘留物過(guò)刻蝕比：大于250:1

硅槽：STI、垂直電容

硅槽的刻蝕Figure16.31

金屬刻蝕的主要要求1. 高刻蝕速率(>1000nm/min).2. 對(duì)下面層的高選擇比，對(duì)掩蔽層(>4:1)，層間介質(zhì)層(>20:1).3. 高均勻性，且CD控制好，沒(méi)有微負(fù)載效應(yīng)(<8%atanylocationonthewafer).4. 沒(méi)有等離子體誘導(dǎo)充電帶來(lái)的器件損傷.5. 殘留污染物少(e.g.,銅殘留物、顯影液侵蝕和表面缺陷).6. 快速去膠，通常是在一個(gè)專用的去膠腔體中進(jìn)行，不會(huì)帶來(lái)殘留物污染.7. 不會(huì)腐蝕金屬.

第十六章刻蝕：16.5.3金屬干法刻蝕Figure16.32

刻蝕金屬?gòu)?fù)合膜典型步驟1. 去除自然氧化層的預(yù)刻蝕.2. 刻蝕ARC層(可能與上步結(jié)合）3. 主刻蝕：刻鋁.4. 過(guò)刻蝕：去除殘留物，可能是主刻蝕的延續(xù).5. 阻擋層刻蝕.6. 防止侵蝕殘留物的選擇性去除.7. 去除光刻膠.

鎢的反刻Metal-2stack(d)Metal-2depositionTungstenplug(a)ViaetchthroughILD-2(SiO2)Metal-1stackILD-2ILD-1ViaSiO2(c)TungstenetchbackSiO2Tungstenplug(b)TungstenCVDviafillTungstenFigure16.33

16.6濕法腐蝕WetEtchParametersTypesofWetEtchWetOxideEtchWetChemicalStrips

濕法腐蝕參數(shù)Table16.7

氧化層腐蝕速率BHF25°CTable16.8

濕法腐蝕非關(guān)鍵尺寸中腐蝕殘膠影響腐蝕進(jìn)行各向同性SiO2HF腐蝕KOH在<100>晶向的腐蝕速率比<111>晶向快100倍(100)晶面與（111）晶面的夾角：54.7°16.7刻蝕技術(shù)的發(fā)展多晶硅刻蝕技術(shù)的發(fā)展16.8去除光刻膠等離子去膠去膠機(jī)概述等離子體損傷去除殘留物

去膠機(jī)中氧原子與光刻膠的反應(yīng)Substrate ResistAsherreactionchamber2)O2dissociatesintoat