微电子工艺16zhang课件

第十六章刻蚀学习目标：1、刻蚀的9个重要参数；2、解释干法刻蚀，包括它的优点，以及它是如何进行的；3、描述7种干法等离子体刻蚀设备；4、解释高密度等离子体（HDP）刻蚀的好处，4种HDP刻蚀机；5、举出介质、硅和金属干法刻蚀的实际例子；6、湿法刻蚀及应用；7、刻蚀检查以及相关的重要的质量测量方法。第十六章刻蚀：16.1引言刻蚀：利用化学或物理的办法有选择的去除不需要材料的工艺过程。刻蚀的要求取决于要制作的特征图形的类型，特征尺寸的缩小使刻蚀工艺中对尺寸的控制要求更严格。大马士革工艺重点在于介质的刻蚀而不是金属的刻蚀。刻蚀在CMOS技术中的应用PhotoresistmaskFilmtobeetched(a)Photoresist-patternedsubstrate(b)SubstrateafteretchPhotoresistmaskProtectedfilm第十六章刻蚀：16.1引言刻蚀工艺：干法刻蚀、湿法刻蚀从材料来划分，刻蚀分为金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀有图形刻蚀、无图形刻蚀16.2刻蚀参数刻蚀速率刻蚀剖面刻蚀偏差选择性均匀性残留物聚合物等离子体诱导损伤颗粒沾污和缺陷

刻蚀速率TStartofetchEndofetcht=elapsedtimeduringetchT=changeinthickness光刻胶对刻蚀剂有高抗蚀性具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀Anisotropicetch-etchesinonlyonedirectionResistSubstrateFilmFigure16.5

湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面Table16.1

刻蚀偏差(b)BiasSubstrateResistFilm(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaFigure16.6

刻蚀选择比S=EfErEfNitrideOxideErFigure16.8

刻蚀均匀性Measureetchrateat5to9locationsoneachwafer,thencalculateetchuniformityforeachwaferandcomparewafer-to-wafer.Randomlyselect3to5wafersinalotFigure16.9

聚合物侧壁钝化来提高各向异性PlasmaionsResistOxidePolymerformationSiliconFigure16.10

第十六章刻蚀：16.3干法刻蚀干法刻蚀优点：1、刻蚀剖面具有各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制；2、好的CD控制；3、最小的光刻胶脱落或粘附问题；4、好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性；5、较低的化学制品使用和处理费用干法刻蚀缺点：对下层材料的差刻蚀选择比、等离子体损伤以及昂贵的设备硅片的等离子体刻蚀过程8) By-productremoval1) EtchantgasesenterchamberSubstrateEtchprocesschamber2) Dissociationofreactantsbyelectricfields5) Adsorptionofreactiveionsonsurface4) Reactive+ionsbombardsurface6) SurfacereactionsofradicalsandsurfacefilmExhaustGasdeliveryRFgeneratorBy-products3) Recombinationofelectronswithatomscreatesplasma7) Desorptionofby-productsCathodeAnodeElectricfieldllAnisotropicetchIsotropicetchFigure16.11

化学和物理的干法刻蚀机理反应正离子轰击表面原子团与表面膜的表面反应副产物的解吸附各向异性刻蚀各向同性刻蚀溅射表面材料化学刻蚀物理刻蚀Figure16.12

刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布Plasma(+Vp)IonsheathRFPoweredelectrode(Vt)Groundedelectrode-V0+VVpVtFigure16.13

刻蚀参数的影响Table16.4

第十六章刻蚀：16.4刻蚀反应器干法刻蚀等离子体反应器类型：1、圆筒式反应器；2、平板（平面）反应器；3、顺流刻蚀系统；4、三极平面反应器；5、离子铣；6、反应离子刻蚀；7、高密度等离子体刻蚀机平板（平面）等离子刻蚀机RootspumpProcessgasesExhaustGas-flowcontrollerPressurecontrollerGaspanelRFgeneratorMatchingnetworkMicrocontrollerOperatorInterfaceGasdispersionscreenElectrodesEndpointsignalPressuresignalRoughingpumpWaferFigure16.15

顺流刻蚀系统PlasmachamberDiffuserWaferchuckHeatlampTovacuumsystemMicrowaveenergyMicrowavesource2.45MHzFigure16.16

平行板RIE反应器RFgeneratorWaferPoweredelectrode(cathode)Groundedelectrode(anode)Ar+(physicaletchcomponent)F(chemicaletchcomponent)Figure16.19

高密度等离子体刻蚀机

PhotographcourtesyofAppliedMaterials,MetalEtchDPSPhoto16.1

电子回旋加速反应器的原理图Microwavesource2.45MHzWaveguideDiffuserQuartzwindowElectrostaticchuckCyclotronmagnetPlasmachamberWaferAdditionalmagnet13.56MHzVacuumsystemRedrawnfromY.Lii,“Etching,”ULSITechnology,ed.byC.Chang&S.Sze,(NewYork:McGraw-Hill,1996),p.349.电感耦合等离子刻蚀机ElectromagnetDielectricwindowInductivecoilBiasedwaferchuckRFgeneratorBiasRFgeneratorPlasmachamber双等离子源(DPS)DecoupledplasmachamberTurbopumpLowerchamberCathodeWaferCapacitively-coupledRFgenerator(biaspower)Inductively-coupledRFgenerator(sourcepower)RedrawnfromY.Yeetal,ProceedingsofPlasmaProcessingXI,vol.96-12,ed.byG.MathadandM.Meyyappan(Pennington,NJ:TheElectrochemicalSociety,1996),p.222.磁增强反应等离子刻蚀机(MERIE)Electromagnet(1of4)13.56MHzBiasedwaferchuckWaferRedrawnfromWet/DryEtch(CollegeStation,TX:TexasEngineeringExtensionService,1996),p.165.干法刻蚀系统评价EndpointdetectionNormaletchChangeinetchrate-detectionoccurshere.Endpointsignalstopstheetch.TimeEtchParameterFigure16.24

第十六章刻蚀：16.4.9终点检测等离子刻蚀中被激发的基团的特征波长介质刻蚀OxideSiliconNitride硅刻蚀PolysiliconSingle-CrystalSilicon金属刻蚀AluminumandMetalStacksTungstenEtchbackContactMetalEtch

第十六章刻蚀：16.5干法刻蚀应用第十六章刻蚀：16.5干法刻蚀应用干法刻蚀的特点：1、对不需刻蚀材料的高选择比；2、可接受的刻蚀速率；3、好的侧壁剖面控制；4、好的片内均匀性；5、低的器件损伤；6、宽的工艺制造窗口干法刻蚀的特征参数设备参数:EquipmentdesignSourcepowerSourcefrequencyPressureTemperatureGas-flowrateVacuumconditionsProcessrecipe其它相关因素:CleanroomprotocolOperatingproceduresMaintenanceproceduresPreventivemaintenanceschedule工艺参数:Plasma-surfaceinteraction: -Surfacematerial -Materialstackof differentlayers -Surfacetemperature -Surfacecharge -SurfacetopographyChemicalandphysicalrequirementsTime质量指标:EtchrateSelectivityUniformityFeatureprofileCriticaldimensionsResiduePlasma-etchingawaferFigure16.25

介质刻蚀：氧化物刻蚀反应器CF4C3F8C4F8CHF3NF3SiF4ArWafer静电吸盘Plasma炭氟化合物和碳氢化合物的选择HFCF2FCHFCH4Figure16.26

不同深度的接触孔刻蚀接触孔SDGFigure16.28

硅的干法腐蚀:CF4多晶硅导体长度多晶硅栅栅氧栅长确定沟道长度并定义源漏电极的边界DrainSourceGateFigure16.29

多晶硅栅刻蚀步骤1. 预刻蚀：去除自然氧化层和表面污染物；2. 主刻蚀：在不损伤栅氧化层的条件下，刻蚀大部分的多晶硅膜；3. 过刻蚀：去除残留物和剩余多晶硅。

在多晶硅刻蚀中不期望的微槽SubstratePolyResistGateoxideIonsTrenchingateoxide硅氧化层选择比：大于150:1去残留物过刻蚀比：大于250:1

硅槽：STI、垂直电容

硅槽的刻蚀Figure16.31

金属刻蚀的主要要求1. 高刻蚀速率(>1000nm/min).2. 对下面层的高选择比，对掩蔽层(>4:1)，层间介质层(>20:1).3. 高均匀性，且CD控制好，没有微负载效应(<8%atanylocationonthewafer).4. 没有等离子体诱导充电带来的器件损伤.5. 残留污染物少(e.g.,铜残留物、显影液侵蚀和表面缺陷).6. 快速去胶，通常是在一个专用的去胶腔体中进行，不会带来残留物污染.7. 不会腐蚀金属.

第十六章刻蚀：16.5.3金属干法刻蚀Figure16.32

刻蚀金属复合膜典型步骤1. 去除自然氧化层的预刻蚀.2. 刻蚀ARC层(可能与上步结合）3. 主刻蚀：刻铝.4. 过刻蚀：去除残留物，可能是主刻蚀的延续.5. 阻挡层刻蚀.6. 防止侵蚀残留物的选择性去除.7. 去除光刻胶.

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

16.6湿法腐蚀WetEtchParametersTypesofWetEtchWetOxideEtchWetChemicalStrips

湿法腐蚀参数Table16.7

氧化层腐蚀速率BHF25°CTable16.8

湿法腐蚀非关键尺寸中腐蚀残胶影响腐蚀进行各向同性SiO2HF腐蚀KOH在<100>晶向的腐蚀速率比<111>晶向快100倍(100)晶面与（111）晶面的夹角：54.7°16.7刻蚀技术的发展多晶硅刻蚀技术的发展16.8去除光刻胶等离子去胶去胶机概述等离子体损伤去除残留物

去胶机中氧原子与光刻胶的反应Substrate ResistAsherreactionchamber2)O2dissociatesintoat