超大规模集成电路技术基础56

1、黄君凯 教授5.2 干法刻蚀（等离子体辅助刻蚀）干法刻蚀（等离子体辅助刻蚀）5.2.1 等离子体原理等离子体原理：一种部分或全部离子化的气体，其中含有等量正负性电荷，：一种部分或全部离子化的气体，其中含有等量正负性电荷， 以及不同数量的未离化分子。以及不同数量的未离化分子。：等离子体中的电子密度与分子密度之比。：等离子体中的电子密度与分子密度之比。5.2.2 等离子体辅助刻蚀机制等离子体辅助刻蚀机制（1）刻蚀步骤（五个基本步骤）刻蚀步骤（五个基本步骤）生成刻蚀微粒生成刻蚀微粒 扩散至反应表面扩散至反应表面 吸附吸附 物理或化学反应物理或化学反应 可挥发可挥发化合物排出化合物排出 图图5-4 干

2、法刻蚀机制干法刻蚀机制黄君凯 教授（2）刻蚀方式）刻蚀方式（物理刻蚀）：接受等离子体中正性离子高速轰击的电极上（物理刻蚀）：接受等离子体中正性离子高速轰击的电极上 放置准备刻蚀的晶片，是一种纯动量转移的放置准备刻蚀的晶片，是一种纯动量转移的 物理性离子轰击。物理性离子轰击。【优点】【优点】各向异性佳。各向异性佳。 （激发态中性粒子，强化学活性）（激发态中性粒子，强化学活性）【缺点】【缺点】选择性差，轰击带来损伤。选择性差，轰击带来损伤。（化学刻蚀）：等离子体中的中性反应微粒（形成（化学刻蚀）：等离子体中的中性反应微粒（形成）与薄膜间的相互化学作用形成）与薄膜间的相互化学作用形成物质。物质。【优

3、点】【优点】选择性好，刻蚀率高。选择性好，刻蚀率高。【缺点】【缺点】各向异性差。各向异性差。图图5-5 刻蚀方式刻蚀方式被刻蚀薄膜被刻蚀薄膜黄君凯 教授（rie）：介于溅射刻蚀和等离子刻蚀之间，以物理上的溅）：介于溅射刻蚀和等离子刻蚀之间，以物理上的溅 射刻蚀使薄膜表面清洁，从而促进等离子刻蚀的射刻蚀使薄膜表面清洁，从而促进等离子刻蚀的 化学反应进行。化学反应进行。【特点】【特点】兼具各向异性和选择性优点（压力兼具各向异性和选择性优点（压力 torr，有效离化率，有效离化率 ）（hdp）：低压和高有效离化率：低压和高有效离化率 （压力（压力 torr，有效离化率，有效离化率 ） 线圈耦合等离子

4、体刻蚀（线圈耦合等离子体刻蚀（tcp） 电子回旋共振等离子体刻蚀（电子回旋共振等离子体刻蚀（ecr）610图图5-7 ecr刻蚀刻蚀图图5-6 tcp刻蚀刻蚀310210210黄君凯 教授（3）等离子体诊断与终点检测）等离子体诊断与终点检测n 等离子体中中性和离化微粒诊断等离子体中中性和离化微粒诊断（oes）：测量等离子体反应物和生成物的辐射光特征）：测量等离子体反应物和生成物的辐射光特征 光谱强度诊断该物质。光谱强度诊断该物质。n 刻蚀终点控制刻蚀终点控制：反射光：反射光一个变化周期一个变化周期的薄膜厚度改变量的薄膜厚度改变量 （ : 被刻蚀薄膜折射率）被刻蚀薄膜折射率）/ 2dn图图5-8

5、 oes谱谱图图5-9 激光干涉测量法激光干涉测量法/ 2dnn阻挡层阻挡层tintid黄君凯 教授5.2.3 反应离子刻蚀应用反应离子刻蚀应用表表5-1 不同材料的刻蚀方法不同材料的刻蚀方法*黄君凯 教授n 硅沟刻蚀：元件之间的隔断绝缘层硅沟刻蚀：元件之间的隔断绝缘层 （大于（大于 ） dram存储单元的存储电容器绝缘层存储单元的存储电容器绝缘层 （ 刻蚀配方：刻蚀配方： ） （小于（小于 ） 元件间的绝缘隔离元件间的绝缘隔离 （ 刻蚀配方：刻蚀配方： ）22/hbr clo图图5-10 刻蚀相关性刻蚀相关性 硅沟刻蚀率与深宽比关系硅沟刻蚀率与深宽比关系326/hbrnfosf1 m5 m黄

6、君凯 教授n 绝缘材料刻蚀绝缘材料刻蚀 膜膜-刻蚀配方：刻蚀配方： 比值比值 富富f:刻蚀反应（增加氧）刻蚀反应（增加氧） 膜膜-刻蚀配方：刻蚀配方： 富富c:高分子反应（增加氢）高分子反应（增加氢）图图5-11 刻蚀气体刻蚀气体f/c值值图图5-12 高分子反应形成的侧壁保护膜高分子反应形成的侧壁保护膜43/cfchfar2siofc32/chfo34si n黄君凯 教授第六章第六章 扩散扩散 掺杂方法：掺杂方法： （形成深结）和（形成深结）和（形成浅结）（形成浅结）6.1 基本扩散工艺基本扩散工艺（1）si扩散工艺扩散工艺： 固态源（固态源（ ） 液态源（液态源（ ） 气态源（气态源（ ）

7、 【例】【例】 液态源液态源 扩散工艺扩散工艺3pocl2522545posipsio333,bbr ascl pocl2325,bn as o po322524326poclopocl2633,b hashph黄君凯 教授n 典型扩散装置典型扩散装置（2）gaas扩散工艺扩散工艺 解决因砷高蒸汽压造成分解的基本方法：解决因砷高蒸汽压造成分解的基本方法：n 密封管扩散密封管扩散 n 掺杂绝缘层（掺杂绝缘层（ ）覆盖扩散）覆盖扩散图图6-1 典型扩散装置典型扩散装置34si n黄君凯 教授6.1.1 扩散方程扩散方程（1）扩散模型：）扩散模型：和和 （2）扩散定律）扩散定律菲克第一扩散定律：菲克

8、第一扩散定律： ，（，（6-1）菲克第二扩散定律：菲克第二扩散定律： ，（，（6-2）式中式中f，c和和d分别为杂质的分别为杂质的、和和。当扩散为。当扩散为（d与与c无关）时，式（无关）时，式（6-2）为：）为： 。（。（6-3）图图6-2 扩散机制扩散机制()ccdtxxcfdx 22ccdtx黄君凯 教授（3）扩散系数）扩散系数实测结果表明：实测结果表明： （6-4）式中式中 为温度无限大时的扩散系数，为温度无限大时的扩散系数， 为激活能。为激活能。： 表征了杂质原子移表征了杂质原子移 动所需能量（动所需能量（ ） 例如：图例如：图6-3曲线上部，曲线上部，cu 在在si或或 gaas中的

9、中的（ ）。）。： 表征了杂质原子移动和形成空穴所需能量（表征了杂质原子移动和形成空穴所需能量（ ） 例如：图例如：图6-3曲线下部，曲线下部，as在在si或或gaas中的中的（ ） 。 图图6-3 实测结果：实测结果：dt关系关系0exp()aeddkt2aeev3 5evev0d0.5 2evevaeaeae3aeev黄君凯 教授6.1.2 扩散分布扩散分布n 两步扩散法两步扩散法 ：恒定表面杂质浓度条件：恒定表面杂质浓度条件 ：有限表面杂质总量条件（恒定总杂质量）：有限表面杂质总量条件（恒定总杂质量）（1）恒定表面杂质浓度扩散）恒定表面杂质浓度扩散 初始条件：初始条件： ，（，（6-5）

10、 边界条件：边界条件： ，（，（6-6） ，（，（6-7）式中式中 为为。可得到式（。可得到式（6-3）的解为：）的解为： ，（，（6-8）式中式中 为为， 为为。因此，预淀积时。因此，预淀积时 为：为： 。（。（6-9）( ,0)0c xerfc( , )0ct( , )()2sxc x tc erfcdt(0, )sctcscdt02( )( , )sq tc x t dxcdt( )q t黄君凯 教授（2）有限表面杂质总量扩散（恒定总杂质量）有限表面杂质总量扩散（恒定总杂质量） 初始条件：初始条件： ，（，（6-10） 边界条件：边界条件： ，（，（6-11） ，（，（6-12）式中式中 为为，可得到式（，可得到式（6-3）的解为：）的解为： ，（，（6-13）表达式为表达式为。因此，再分布扩散时，。因此，再分布扩散时，为：为： ，（，（6-14）可见，保持杂质总量可见，保持杂质总量 一定时，随着扩散时间增加，表面杂质浓度将下一定时，随着扩散时间增加，表面杂质浓度将下降。降。( ,0)0c x0( , )c x t dxss2( , )exp()4sxc x