半导体制造工艺课件(-47张)

半导体制造工艺基础,*,第五章 刻蚀原理,*,372.065.1.01,集成电路工艺原理,第十四讲 薄膜淀积原理,*,两大关键问题：,选择性,方向性：各向同性/各向异性,待刻材料的刻蚀速率,掩膜或下层材料的刻蚀速率,横向刻蚀速率,纵向刻蚀速率,图形转移过程演示,图形转移光刻刻蚀,1,两大关键问题：待刻材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率横向,刻蚀的性能参数,2,刻蚀的性能参数2,A,0 0,A,1,A,=1,Uniformity/non-uniformity,均匀性,/,非均匀性,R,high,:,最大刻蚀速率,R,low,:,最小刻蚀速率,方向性：,过腐蚀（钻蚀）：,假定,S,时,3,A0 0A,腐蚀速度：,R,(100),100 R,(111),9,原子密度：9,HNA各向同性腐蚀,自终止,10,HNA各向同性腐蚀自终止10,利用,Si,的各向异性湿法腐蚀制作的,MEMS,（,M,icro,E,lectro,M,echanical,S,ystems,）结构,11,利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS（MicroElec,湿法腐蚀的缺点,在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：,（,1,）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性,（,2,）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差,（,3,）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境有害,（,4,）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济,12,湿法腐蚀的缺点在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所,干法刻蚀,化学刻蚀（各项同性，选择性好）,等离子体激活的化学反应,(,等离子体刻蚀,),物理刻蚀（各向异性，选择性差）,高能离子的轰击,(,溅射刻蚀,),离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好）,反应离子刻蚀,13,干法刻蚀化学刻蚀（各项同性，选择性好）13,化学刻蚀 物理刻蚀,14,化学刻蚀,离子增强刻蚀,-Ion Enhanced etching,等离子体刻蚀的化学和物理过程并不是两个相互独立的过程，而且相互有增强作用,无离子，,XeF,2,对,Si,不刻蚀,纯,Ar,离子，对,Si,不刻蚀,Ar,离子和,XeF,2,相互作用，刻蚀速率很快,物理过程（如离子轰击造成的断键,/,晶格损伤、辅助挥发性反应产物的生成、表面抑制物的去除等）将有助于表面化学过程,/,化学反应的进行,15,离子增强刻蚀-Ion Enhanced etching等离子,典型的,RF,等离子刻蚀系统和,PECVD,或溅射系统类似,16,典型的RF等离子刻蚀系统和PECVD或溅射系统类似16,等离子体,等离子刻蚀基本原理,等离子体,（,Plasma,）的含义,包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物,质聚集状态。,由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样,物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物,(,蜡烛的火,焰就处于这种状态,),。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等,离子体,(,plasma,),。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离,子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。,液态,固态,气态,等离子体,17,等离子体等离子刻蚀基本原理等离子体（Plasma）的含义液态,刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制,刻蚀机制,刻蚀工艺包括,5,个步骤：,1,、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生；,2,、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面；,3,、反应物被表面吸收；,4,、通过化学反应产生挥发性化合物；,5,、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。,基本刻蚀方式为：,物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面；,化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。,化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（,RIE,）。,18,刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制刻蚀机制刻蚀工艺包括5个步,19,19,等离子体探测,大多数的等离子体工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间，一个简单的缝隙方法是利用光学发射光谱仪（,OES,）来测量这些发射光谱的强度与波长的关系。利用观测到的光谱波峰与已知的发射光谱比较，通过可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的密度，也可以通过观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副产物所引起的发射信号在刻蚀终点开始上升或下降。,干法刻蚀必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器，即终点探测系统。激光干涉度量法用来持续控制晶片表面的刻蚀速率与终止点。在刻蚀过程中，从晶片表面反射的激光会来回振荡，这个振荡的发生是因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材料必须透光或半透光才能观测到振荡现象。振荡周期与薄膜厚度的变化关系为：,终点控制,20,等离子体探测 大多数的等离子体工艺中发出的射线范围,刻蚀时间（任意单位）,反射系数（任意单位）,硅化物,多晶硅,硅化物,/,多晶硅刻蚀实验曲线,21,刻蚀时间（任意单位）反射系数（任意单位）硅化物多晶硅硅化物/,Sputtering mode,：,硅片置于右侧电极，该电极接地（反应腔体通常也接地，则增大该电极有效面积）；,右侧暗区电压差小，通过离子轰击的物理刻蚀很弱,RIE mode,：,硅片置于面积较小的左侧电极，右电极仍接地；左侧暗区电压差大，通过离子轰击的物理刻蚀很强,22,Sputtering mode：硅片置于右侧电极，该电极接地,SiCl,4,TiCl,4,反应离子刻蚀（,RIE,）：,常用刻蚀气体为含卤素的物质，如,CF,4,，,SiF,6,，,Cl,2,，,HBr,等，加入添加气体如：,O,2,，,H,2,，,Ar,等。,O,2,用于刻蚀光刻胶。,反应产物必须是气相或者易挥发（,volatile,）,23,SiCl4TiCl4反应离子刻蚀（RIE）：常用刻蚀气体为含,刻蚀方程式,等离子刻蚀基本原理,为何处在等离子体环境下进行刻蚀,在我们的工艺中，是用,CF,4,和,O,2,来刻蚀扩散后的硅片，其刻蚀原理如下：,CF,4,=CFx*+(4-x)F*(x3),Si+4 F*=SiF,4,SiO,2,+4 F*=SiF,4,+O,2,反应的实质，打破,C-F,、,Si-Si,键，形成挥发性的,Si-F,硅卤化物。,C,F+Si Si=Si-F+17kcal/mol,反应需要一个净正能量，,CF4,本身不会直接刻蚀硅。等离子体高能量,的电子碰撞会使,CF4,分子分裂生产自由的氟原子和分子团，使得形成,SiF,是能量有利的。,24,刻蚀方程式等离子刻蚀基本原理为何处在等离子体环境下进行刻蚀2,氧气的作用,等离子刻蚀基本原理,在,CF4,进气中加入少量氧气会提高硅和二氧化硅的刻蚀速率。人们认为氧气与碳原子反应生成,CO2,，这样从等离子体中去掉一些碳，从而增加,F,的浓度，这些成为富氟等离子体。往,CF4,等离子体中每增加,12%的氧气，F浓度会增加一个数量级，对硅的刻蚀速率增加一个数量级。,25,氧气的作用等离子刻蚀基本原理 在CF4进,CF,4,等离子体,26,CF4等离子体26,Si+4F,*,SiF,4,SiO,2,+4F,*,SiF,4,+O,2,Si,3,N,4,+12F,*,3SiF,4,+2N,2,硅、,Si,3,N,4,和,SiO,2,刻蚀,CF,4,中添加少量,O,2,可增加对,Si,，,SiO,2,和,Si,3,N,4,的腐蚀速率,少量添加气体可增加选择性,10%O,2,可获得最大的,Si/SiO,2,刻蚀比,27,Si+4F*SiF4硅、Si3N4和SiO2刻蚀CF4中,在,CF,4,中加入少量,H,2,，可使,CF,x,：,F*,的浓度比增加。从而使,SiO,2,:Si,及,Si,3,N,4,：,Si,的腐蚀速率比增大,28,在CF4中加入少量H2，可使CFx：F*的浓度比增加。从而,增加,F/C,比（加氧气），可以增加刻蚀速率,减少,F/C,比（加氢气），刻蚀过程倾向于形成,高分子膜,29,增加F/C比（加氧气），可以增加刻蚀速率29,刻蚀方向性的增加,增加离子轰击（物理刻蚀分量）,侧壁增加抑制物（,inhibitor,）,DRIE,30,刻蚀方向性的增加增加离子轰击（物理刻蚀分量）DRIE30,本节课主要内容,什么是图形转移技术？,刻蚀的两个关键问题？,选择性,方向性,光刻刻蚀,干法刻蚀,纯物理刻蚀,纯化学刻蚀,反应离子刻蚀,RIE,增加方向性、选择性的方法,CF,4,/O,2,湿法腐蚀：,SiHNA,各向同性,KOH,各向异性,SiO,2,HF,MEMS,31,本节课主要内容什么是图形转移技术？刻蚀的两个关键问题？选择性,反应等离子体刻蚀技术与设备,一个反应等离子体刻蚀反应器包括一个真空腔、抽气泵系统、电源供应产生器、压力探测器、流量控制器与终点探测器等。,32,反应等离子体刻蚀技术与设备一个反应等离子体刻蚀反应器包括一个,1 10 100 1000,1,10,100,1000,低于高密度,ECR,，,ICP,低压整批,RIE,单片晶片,RIE,桶状等离,子体刻机,33,1 10,反应离子刻蚀（,RIE,）,平行板系统,RF,RF,34,反应离子刻蚀（RIE）平行板系统RFRF34,电子回旋共振（,ECR,）等离子体刻蚀机,大多数的等离子体抗蚀机，除了三极,RIE,外，都无法提供独立控制等离子体参数的能力。导致轰击损伤的严重问题。,ECR,结合微波电源与静电场来驱使电子沿磁场线作一定角频率的回旋。当此频率等于外加微波频率时，电子能量与外加磁场产生共振耦合，造成大量的分解与电离。,35,电子回旋共振（ECR）等离子体刻蚀机大多数的等离子体抗蚀机，,其他高密度等离子体刻蚀机,由于,ULSI,的线宽持续缩小，逼近传统的,RIE,系统极限，除了,ECR,系统外，其他形式的高密度等离子体源（,HDP,），如电感耦合等离子体源（,ICP,）、变压器耦合等离子体源（,TCP,）、表面波耦合等离子体源（,SWP,）也已开始发展。这些设备拥有高等离子体密度与低工艺压强。,另外，,HDP,等离子体源对衬底的损伤较小（因为衬底有独立的偏压源与侧电极电势），并有高的的各向异性（因为在低压下工作但有高活性的等离子体密度）。,然而，由于其复杂且成本较高，这些系统可能不会使用于非关键性的工艺，如侧壁间隔与平坦化工艺。,36,其他高密度等离子体刻蚀机由于ULSI的线宽持续缩小，逼近传统,等离子体,RF,RF,介电板,变压器耦合等离子体反应设备示意图,37,等离子体RFRF介电板变压器耦合等离子体反应设备示意图37,集成等离子体工艺,半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气中的尘埃污染。当器件尺寸缩小，尘埃的污染成为一个严重的问题。为了减少尘粒的污染，集成等离子体设备利用晶片操作机将晶片置于高真空环境中从一个反应腔移到另一个反应腔。同时可以增加产率。,38,集成等离子体工艺半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气,TiW,刻蚀腔,AlCu,刻蚀腔,钝化层剥蚀腔,真空装载锁住腔,卡式装,/,卸载腔,多层金属互联（,TiW/AlCu/TiW,）,39,TiW刻蚀腔AlCu刻蚀腔钝化层剥蚀腔真空装载锁住腔卡式装/,反应等离子体刻蚀的应用,等离子体刻蚀系统已由应用于简单、整批的抗蚀剂剥蚀快速发展到大的单片晶片加工。下表列举了不同刻蚀工艺所用到的一些化学剂。,40,反应等离子体刻蚀的应用等离子体刻蚀系统已由应用于简单、整批的,硅沟槽刻蚀,当器件尺寸缩小时，晶片表面用作隔离,DRAM,储存单元的储存电容与电路器件间的区域也会相对减少。这些表面隔离区域可以利用硅晶片的深沟槽刻蚀，再填入适当的介质或导体物质来减少其所占的面积。深沟槽深度通常超过,5um,，主要是用于形成存储电容，浅的沟槽其深度通常不会超过,1um,，一般用于器件