微电子工艺课件Chapter16(zhang).ppt

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,在晶片厂中的位置,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,光刻胶对刻蚀剂有高抗蚀性,湿法各向同性化学腐蚀,Figure 16.4,钻蚀,具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀,Figure 16.5,湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面,Table 16.1,刻蚀偏差,Figure 16.6,刻蚀中的横向钻蚀和倾斜,Figure 16.7,刻蚀选择比,Figure 16.8,刻蚀均匀性,Figure 16.9,聚合物侧壁钝化来提高各向异性,Figure 16.10,第十六章 刻蚀：16.2 刻蚀参数,残留物 等离子体诱导损伤 颗粒沾污和缺陷,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,Figure 16.11,化学和物理的干法刻蚀机理,Figure 16.12,化学干法等离子体刻蚀和物理干法等离子体刻蚀,Table 16.3,刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布,Figure 16.13,刻蚀参数的影响,Table 16.4,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,典型的圆桶式等离子刻蚀机,Figure 16.14,平板（平面）等离子刻蚀机,Figure 16.15,顺流刻蚀系统,Figure 16.16,三极平面反应器,Figure 16.17,离子束刻蚀机的原理,低选择比，低产能. 刻金属，不同的侧壁,平行板RIE反应器,Figure 16.19,高密度等离子体刻蚀机,Photograph courtesy of Applied Materials, Metal Etch DPS,Photo 16.1,电子回旋加速反应器的原理图,Redrawn from Y. Lii, “Etching,” ULSI Technology, ed. by C. Chang & S. Sze, (New York: McGraw-Hill, 1996), p. 349.,电感耦合等离子刻蚀机,双等离子源 (DPS),Redrawn from Y. Ye et al, Proceedings of Plasma Processing XI, vol. 96-12, ed. by G. Mathad and M. Meyyappan (Pennington, NJ: The Electrochemical Society, 1996), p. 222.,磁增强反应等离子刻蚀机(MERIE),Redrawn from Wet/Dry Etch (College Station, TX: Texas Engineering Extension Service, 1996), p. 165.,干法刻蚀系统评价,Figure 16.24,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 Oxide Silicon Nitride 硅刻蚀 Polysilicon Single-Crystal Silicon 金属刻蚀 Aluminum and Metal Stacks Tungsten Etchback Contact Metal Etch,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: Equipment design Source power Source frequency Pressure Temperature Gas-flow rate Vacuum conditions Process recipe 其它相关因素: Cleanroom protocol Operating procedures Maintenance procedures Preventive maintenance schedule,工艺参数: Plasma-surface interaction: - Surface material - Material stack of different layers - Surface temperature - Surface charge - Surface topography Chemical and physical requirements Time 质量指标: Etch rate Selectivity Uniformity Feature profile Critical dimensions Residue,Figure 16.25,介质刻蚀：氧化物刻蚀反应器,Figure 16.26,不同深度的接触孔刻蚀,Figure 16.28,硅的干法腐蚀: CF4 多晶硅导体长度,Figure 16.29,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,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,Figure 16.31,金属刻蚀的主要要求,1. 高刻蚀速率 (1000 nm/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% at any location on the wafer). 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,Figure 16.32,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,Figure 16.33,16.6 湿法腐蚀,Wet Etch Parameters Types of Wet Etch Wet Oxide Etch Wet Chemical Strips,湿法腐蚀参数,Table 16.7,氧化层腐蚀速率 BHF 25 C,Table 16.8,湿法腐蚀,非关键尺寸中 腐蚀残胶影响腐蚀进行 各向同性 SiO2 HF腐蚀,KOH在晶向的腐蚀速率比晶向快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,Figure 16.34,过刻蚀通孔覆盖物,Figure 16.35,第十六章 刻蚀：16.9 刻蚀检查,刻蚀工艺最后一步就是进行刻蚀检查以确保刻蚀质量，在刻蚀和去胶完成之后进行； 最重要的检查之一是对特殊掩蔽层的检查，以确保关键尺寸正确。,第十六章 刻蚀：16.10 刻蚀质量测量,刻蚀质量测量： 1、关键尺寸偏差； 2、金属腐蚀； 3、刻蚀后的侧壁污染物； 4、负载效应；