等离子体刻蚀.

1、9 IG等离子体刻蚀集成电路的发展1958年:第一个错集成电路1961年：集成”个元件目前：集成bo亿个元件对比：第一台计算机(EN IAC, 1946), 18000只电子管，重达30吨，占 地180平方米，耗电150千瓦。奔II芯片：7.5百万个晶体管集成电路发展的基本规律穆尔法则：硅集成电路单位面积上的晶体管数，每 18个月翻 一番，特征尺寸下降一半。集成度随时间的增长：io*y1 -特征长度随时间的下降:0集成电路制造与等离子体刻蚀集成电路本质：微小晶体管,M0场效应管的集成微小晶体管，M0场的制作：硅片上微结构制作-槽、孑L 早期工艺：化学液体腐蚀-湿法工艺5微米以上缺点：(a)腐蚀

2、性残液- 降低器件稳定性、寿命(b)各向同性(c)耗水量大(why)(d)环境污染lkI I1 13 3预腐蚀区域抗腐蚀掩膜实际腐蚀区随着特征尺寸的下降，湿法工艺不能满足要求，寻求新的工艺 - 等离子体干法刻蚀，在1969引入半导体加工，在70年代开始广泛应 用。等离子体刻蚀工艺流程kJ(b)光胶掩膜曝光(c)去除被曝光掩膜(显影)(d)等离子体刻蚀(e)去除光胶(灰化)(a)涂敷光胶掩膜，干化OeV)6小h等离子体刻蚀过程、原理:例：CF的分解、电离过程能量馈入刻蚀反应粒子的产生、输运(1)产生化学活性的带电粒子、中性自由基(2)反应粒子输运3)带电粒子穿越鞘层加速(4)反应粒子在刻蚀槽孔内

3、输运、反应刻蚀三个阶段(1)刻蚀物质的吸附、反应(2)挥发性产物的形成；产物的脱附，氯等离子体刻蚀硅反应过程CI2CI+CISi （表面）2CI SiCl2SiCl2 2CI SiCl4（why）CF4等离子体刻蚀SiO2反应过程C F斗一 2 F 亠 C F2 (/rivn o/f 1 cr SiO; 4- 4 b SJF4 +20 I ) Si(J；+2CR SiF4 + 2CO (弊店小)离子轰击作用三种主要作用(1)化学增强物理溅射(Chemical en2haneed physicaIsputteri ng)例如,含氟的等离子体在硅表面形成的SiFx基与元素 Si相比,其键合能比较低

4、，因而在离子轰击时具有较高 的溅射几率，(2)晶格损伤诱导化学反应(damage - induced chemicalreacti on)离子轰击产生的晶格损伤使基片表面与气体物质的反 应速率增大(3)化学溅射(chemical sputtering)活性离子轰击引起一种化学反应，使其先形成弱束缚的 分子，然后从表面脱附。其他作用?加速反应物的脱附- 提高刻蚀反应速度?控制附加沉积物- 提高刻蚀的各向异性?损伤等离子体各向异性的实现C4F8离解 CxFy表面聚合 (CxFy)n-钝化层等离子体刻蚀的特点、优点(1)污染小，刻蚀残存物少(2)可以实现各向异性刻蚀(3)工艺兼容性好：刻蚀、沉积、掺

5、杂缺点:(1)成本高(2)机理过程复杂，技术难度高(3)器件损伤大等离子体刻蚀技术 刻蚀指标要求片间、片内均匀性- 各向异性-图形高保真 高刻蚀速率-线宽损失高选择比-刻蚀速率比低损伤?刻蚀技术的趋势:单片工艺大片化(为什么要大片化？)1980 早期 100 to 1501980晚期 150 to 2001990末期 200 to 3002009450原因：提高效率，降低成本微细化1997 1999 2001 2003 2006 2009 20120.25 0.18 0.15 0.13 0.1 0.07 0.05亚微米，深亚微米铜线工艺多层互连1997, 6层- 2002，9层低损伤刻蚀等离子

6、体源的发展趋势低气压 -大片化高密度 -高速率 ECR,ICP, HELICON, SWP大面积均匀-脉冲-各类材料/结构刻蚀 微电子硅 -mono , poly, doped , undoped介质刻蚀-氧化物刻蚀，氮氧化物金属刻蚀-铝，钨，钼光胶掩膜-光电子II-VI, III-V半导体材料，石英光波导 激光器腔面、光栅、镜面（对于刻蚀表面的光滑度、形状控制要求较高）微机电 硅 高刻蚀速率 刻蚀形状图图3祁漏卜祁漏卜刻蚀刻蚀SO材料制作材料制作MIMS SEM图图堪片尺堪片尺1 JOd讪讪5 5侧壁粗槌度侧壁粗槌度：2了了 nm等离子体刻蚀中的各种效应、影响（1）宏观负载效应（macro-

7、loading effect）原因：？单位时间到达单位刻蚀面的反应粒子数量大于应所需要的 粒子刻蚀速率由刻蚀反应速度决定刻蚀面积增加?单位时间到达单位刻蚀面的反应粒子数量小应所需要的 粒子刻蚀速率由反应粒子通量决定 - 反应粒子数量不足 解决方法：(2)微观负载效应(micro-loading effect)CONTACT WINDOW DJAMETER-ARDE(Aspect Ratio Depe nde nt Effect)效 应?ARDE与气压的关系Microvav PiosrraCCURcnkO0.8PLrtsm住住 Etching 270-Pci 06CJ0.50.95 juuTi0

8、.75 |iim0.62 p.m123Hole Diameter (pm)?ARDE与气体种类的关系可以分析得到造成ARDE的原因：(a)中性粒子遮蔽(b)离子遮蔽- 线宽减小，粒子在微槽孔中输运效率降低解决方法：降低气压，提咼离子流方向性(提咼偏置电压)(3)微结构电荷积累(charge built-up)效应?电荷积累损伤？刻蚀面积（cm 2）?微区差分带电效应-Local notchingCF4 , C2F6, C3F8, C4F10气体分子中C的含量依次增加，刻蚀 过程中固体表面的C量依次增多。刻蚀速率依次下降。C量的增加对SiO2, Si刻蚀速率的抑制作用不同。原因：能量足够大的离子

9、轰击SiO2表面，能够活化表面的Si0链。 来 自Si0链的氧，可以与表面附着的C反应，从而减小C的 吸收层厚度，或把C层清除(CO,CO2)，使Si02表面有更多与F 反应的机会。Si表面就没有这样的能力(why),表面会形成比较厚(2 nm / 7 nm)的聚合物薄层，绝大部分离子不能直接轰击到硅表面上。 因此C/ ”一Line & Space -Open area resist poly-SiSi substrate notchFusiflj Wo km冋odmfii(4)不同刻蚀气体的影响(a) CF4 , C2F6, C3F8, C4F10F比高的氟碳化合物等离子体中，Si的刻蚀速率

10、大大下指导结论(1): |,当等离子体中的F : C比率较高(4)时,刻蚀Si的速 率就比刻蚀SiO2的速率快，当等离子体中的F : C比率较低( 如选用 CHF、C2F6 和GF8指导结论（2:利用改变C/F比控制SiO2Si的刻蚀选择比（b）不含碳气体-Cl2,NF3,SF6刻蚀Si的速率就比刻蚀SiO2的速率快。 原因：（化学键能）龍4-?装姿储学壘的耀能CFCOSiSi筍一F阳一1 .Si-H1n一Ffccal/ maleI 425IBI42.2135.2532.25170,4104.2555化学建HO00FFStNN板州一Oc-c糙能kcal/mi-110.6I lfi.3C.612

11、1.73JJ-443包4反应（刻蚀）速率（5）不同添加刻蚀气体的作用? CF4中加02的作用CF4等离子体中掺入02后能提高|si和Si02的刻蚀速率 原因：02促进刻蚀反应粒子的产生CFs* 十 02 COFa +OF*CF $ .十 0 a COF a H- F 20F* 2F- +OaOF* + CF3 * COF： + 2F*复合（聚合）反应被抑制OF,* +F CE4CFs* 十 CF3* - C2FCFz： GF例：CF4/O2等离子体刻蚀Si.? C4F8中加出的作用CF4等离子体中掺入H2后能显著降低Si的刻蚀速率，SiO2刻蚀 速率略微下降。-提高SiO2对Si的刻蚀比。原因

12、：加入出降低了 F原子的浓度，增加了聚合物沉积。 CHF3, CH2F2和CH3F有相同的效果.10?刻蚀气体中加入加氩气、氮气e_E5e_E5一 昱站IXIPLdIXIPLd1020304050%一 AU.5PS.&S10100CF4 5F& CaFs C4F310Gas Chemisky4 4 2 2 0 0 e e2E0dulo2E0dulol l LIoJLPalsLIoJLPals : : mlmlCF4CoFfl GFgGas Chemistry00002 2f fi iv vGa$ Chemistry0000匚 0 百上 uq pa)pa)N NHDEHDE0u0u QzQzPr

13、essure : SmTorr Power : IkWAr (W%解释：氩、氦添加气体影响电子与中性气体的动量交换，控制电 子能量分布函数，电离、离解之间的平衡。氩、氦将EED向高能推移0,67 Pa0.01（6）基片温度对刻蚀的影响对刻蚀速率（Si）的影响氩提高电子密度，提高nionn CF氦主要提高反应气体离解率，离解程度。（原因?）（原因 ?）ELLruLELLruL-200-150100- 50*鮒f ZC对侧壁刻蚀速率的影响Temperature Cc)对沉积速率的影响5壬 ps】o肓c匸03LO OO O-1-1-o o o o o o O O0 0 5 5 0 0 5 53 3

14、2 2 2 2 1 1m c-(dT/dt)= ICD A Vsh-ea A 仃亿Tj)140CW .ICKJOW-Reactor Wall Temperature (C)4505003 35 50 00 00 02 2- -5 5C C5 50 0刻蚀速率随放电时间的变化原因：放电初期，装置壁温度低，CFX膜沉积在装置壁上，基片上的沉积 少,Si,SiN x的刻蚀速率高。装置壁温度随放电进行升高后，壁上的薄膜沉积减少，基片上的沉 积增加，Si,SiN x的刻蚀速率下降。SiO 2刻蚀受薄膜沉积的影响小，刻蚀速率受装置壁温度的影响小。(8)放电气压对旁刻速率的影响0些de Esh Ra(nm

15、亍 in) o o o o o o o o o o o o o o o o4 4 3 3 2 2Time (s)706060(UEM 皂 mHmH LPI1J-SWLPI1J-SW乏(9)基片偏置对各向异性刻蚀的影响偏置大小心)(b)(c)(d).8.84o o051015202530PRESSURE (mTorr)35400W500W600W700W(36)0)0*(36)0)0* 6WIPL6WIPL& &PON-DIUJONci2UHF Power: 1KW 3mTorrRF Bias: 1MHz0206LO1.5Pattern Width (pm)偏置频率频率对自偏压大小的影响freq

16、ue ncySQTDfLescDSQTDfLescD1500eErv-eErv-善 H H 6.E6.E弋LnLn一 s偏置频率对刻蚀速率的影响原因：(1)低频时，能量用于加速的比例高，用于电离的少。(2)低频偏置的自偏压小，波形接近正负对称。在正偏 置时，负离子也可以进入鞘层轰击刻蚀表面。 高频偏置时，负离子不能得到利用。Ian Curnaftllow CyrrfM4100050050Vpp (VJ5 5 0 0 5 5 0 01101103 310=習左一1 1若n(10)刻蚀反应过程中尘埃影响等离子体刻蚀机拍摄尘埃实验安排Camera5 SeoPtasma ToolLASERMirror

17、尘埃照片图Graphne Electrode CoverSilicon W il er不同放电条件的单片细节图Par Ades通常的尘埃空间分布图Top Viewp rlicle cioucrs-elEWodchanrtfrerSide View 蜜window Vf毗rliirnpring mE i J UB. I ” H” - I. ,i1 Lg aMLja !-iRfticte trapping.Ze、6screw基片的降落尘埃的SEM照片099101 15KV Xi6：齬齬9：航航刻蚀等离子体尘埃的集结300 nm(11 )脉冲放电对刻蚀的影响脉冲放电的等离子体参数时间演化505001

18、脉冲放电对刻蚀速率的影响- 提高poly Si对SiQ刻蚀选择率的方法G一 UJ、alow 6WIINUJMow3用50Pulse Width (psec)00005 50 000000020)0020)00CE、采用高电导率金属材料- 铜取代铝（2）降低C - 采用低k绝缘介质材料- SiOFx取代SiO2铜线工艺带来的新问题：低温下，CuClx, CuF勺挥发率低，虽然在高于200 的温度 F可以取得满意的挥发率，但高温工艺带来许多缺点。解决方法：大马士革镶嵌法（流程图）（传统工艺：沉积铝膜，然后刻蚀）内做逻辑门延时- -0 0图4双慢工艺流思()淀积SiN, (b)淀积复化物介UL (c

19、)制通几图形I (d)腐蚀鸽分通扎并制备沟槽田彫I(e)沟槽与通扎險蚀后澡积R1打层和軒晶展；(f)沉积；( (g)出CMP和顶足SiN淀积ni&KaruSJ 6 Cu k连线 CMOS * 路刻蚀等离子体源的发展(1)简单RFCCP刻蚀源上世纪70年代，集成电路的快速发展需要干法刻蚀工艺 1973年 美国人Reinbergl申请射频平板装置专利 射频平板装置盛行了 10年各种变形0该类装置缺点：(a) 尺寸增加，单片工艺替代批量工艺，刻蚀速率不满足要求(b) 离子能量与密度不能独立控制(c) 低气压下不能获得高密度(2) MERIE刻蚀源装置图专利：D. Che ng, D. Mayda n

20、, S. Somekh, K. R. Stalder, D. L. An drews, M. Cha ng, J. M. White, J. Y. Wong, V. J. Zeitli n, and D. N. Wang,U.S.Pate nt No. 5,215,619.(i) Open Ended Diode*(li) TrJodfe(iii) Magnetic Multipole Enhanced TriodeEJCTEftMAL SQLEHQtOSPUMP PCflTCONFINED TAftGETTARGETCHAMBMApplied Materials 公司0刻蚀速率、自偏压随磁场强度的变化mm 7A0GET OAMETEH D cm TAWOEr SPAONG 狛 wrcm, 3.3 PB CFt 严*缈