第十六章 刻蝕,學(xué)習(xí)目標(biāo)： 1、刻蝕的9個重要參數(shù)； 2、解釋干法刻蝕，包括它的優(yōu)點，以及它是如 何進(jìn)行的； 3、描述7種干法等離子體刻蝕設(shè)備； 4、解釋高密度等離子體（HDP）刻蝕的好處， 4種HDP刻蝕機(jī)； 5、舉出介質(zhì)、硅和金屬干法刻蝕的實際例子； 6、濕法刻蝕及應(yīng)用； 7、刻蝕檢查以及相關(guān)的重要的質(zhì)量測量方法。,第十六章 刻蝕：16.1 引言,刻蝕：利用化學(xué)或物理的辦法有選擇的去除不需要材料的工藝過程。 刻蝕的要求取決于要制作的特征圖形的類型，特征尺寸的縮小使刻蝕工藝中對尺寸的控制要求更嚴(yán)格。 大馬士革工藝重點在于介質(zhì)的刻蝕而不是金屬的刻蝕。,刻蝕在CMOS技術(shù)中的應(yīng)用,在晶片廠中的位置,第十六章 刻蝕：16.1 引言,刻蝕工藝： 干法刻蝕、濕法刻蝕 從材料來劃分，刻蝕分為金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕和硅刻蝕 有圖形刻蝕、無圖形刻蝕,16.2 刻蝕參數(shù),刻蝕速率 刻蝕剖面 刻蝕偏差 選擇性 均勻性 殘留物 聚合物 等離子體誘導(dǎo)損傷 顆粒沾污和缺陷,刻蝕速率,光刻膠對刻蝕劑有高抗蝕性,濕法各向同性化學(xué)腐蝕,Figure 16.4,鉆蝕,具有垂直刻蝕剖面的各向異性刻蝕,Figure 16.5,濕法刻蝕和干法刻蝕的側(cè)壁剖面,Table 16.1,刻蝕偏差,Figure 16.6,刻蝕中的橫向鉆蝕和傾斜,Figure 16.7,刻蝕選擇比,Figure 16.8,刻蝕均勻性,Figure 16.9,聚合物側(cè)壁鈍化來提高各向異性,Figure 16.10,第十六章 刻蝕：16.2 刻蝕參數(shù),殘留物 等離子體誘導(dǎo)損傷 顆粒沾污和缺陷,第十六章 刻蝕：16.3 干法刻蝕,干法刻蝕優(yōu)點： 1、刻蝕剖面具有各向異性，具有非常好的 側(cè)壁剖面控制； 2、好的CD控制； 3、最小的光刻膠脫落或粘附問題； 4、好的片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕均勻性； 5、較低的化學(xué)制品使用和處理費用 干法刻蝕缺點：對下層材料的差刻蝕選擇比、等離子體損傷以及昂貴的設(shè)備,硅片的等離子體刻蝕過程,Figure 16.11,化學(xué)和物理的干法刻蝕機(jī)理,Figure 16.12,化學(xué)干法等離子體刻蝕和物理干法等離子體刻蝕,Table 16.3,刻蝕機(jī)輝光放電區(qū)域原理圖和電勢分布,Figure 16.13,刻蝕參數(shù)的影響,Table 16.4,第十六章 刻蝕：16.4 刻蝕反應(yīng)器,干法刻蝕等離子體反應(yīng)器類型： 1、圓筒式反應(yīng)器； 2、平板（平面）反應(yīng)器； 3、順流刻蝕系統(tǒng)； 4、三極平面反應(yīng)器； 5、離子銑； 6、反應(yīng)離子刻蝕； 7、高密度等離子體刻蝕機(jī),典型的圓桶式等離子刻蝕機(jī),Figure 16.14,平板（平面）等離子刻蝕機(jī),Figure 16.15,順流刻蝕系統(tǒng),Figure 16.16,三極平面反應(yīng)器,Figure 16.17,離子束刻蝕機(jī)的原理,低選擇比，低產(chǎn)能. 刻金屬，不同的側(cè)壁,平行板RIE反應(yīng)器,Figure 16.19,高密度等離子體刻蝕機(jī),Photograph courtesy of Applied Materials, Metal Etch DPS,Photo 16.1,電子回旋加速反應(yīng)器的原理圖,Redrawn from Y. Lii, “Etching,” ULSI Technology, ed. by C. Chang & S. Sze, (New York: McGraw-Hill, 1996), p. 349.,電感耦合等離子刻蝕機(jī),雙等離子源 (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.,磁增強(qiáng)反應(yīng)等離子刻蝕機(jī)(MERIE),Redrawn from Wet/Dry Etch (College Station, TX: Texas Engineering Extension Service, 1996), p. 165.,干法刻蝕系統(tǒng)評價,Figure 16.24,第十六章 刻蝕：16.4.9 終點檢測,等離子刻蝕中被激發(fā)的基團(tuán)的特征波長,介質(zhì)刻蝕 Oxide Silicon Nitride 硅刻蝕 Polysilicon Single-Crystal Silicon 金屬刻蝕 Aluminum and Metal Stacks Tungsten Etchback Contact Metal Etch,第十六章 刻蝕：16.5 干法刻蝕應(yīng)用,第十六章 刻蝕：16.5 干法刻蝕應(yīng)用,干法刻蝕的特點： 1、對不需刻蝕材料的高選擇比； 2、可接受的刻蝕速率； 3、好的側(cè)壁剖面控制； 4、好的片內(nèi)均勻性； 5、低的器件損傷； 6、寬的工藝制造窗口,干法刻蝕的特征參數(shù),設(shè)備參數(shù): Equipment design Source power Source frequency Pressure Temperature Gas-flow rate Vacuum conditions Process recipe 其它相關(guān)因素: Cleanroom protocol Operating procedures Maintenance procedures Preventive maintenance schedule,工藝參數(shù): Plasma-surface interaction: - Surface material - Material stack of different layers - Surface temperature - Surface charge - Surface topography Chemical and physical requirements Time 質(zhì)量指標(biāo): Etch rate Selectivity Uniformity Feature profile Critical dimensions Residue,Figure 16.25,介質(zhì)刻蝕：氧化物刻蝕反應(yīng)器,Figure 16.26,不同深度的接觸孔刻蝕,Figure 16.28,硅的干法腐蝕: CF4 多晶硅導(dǎo)體長度,Figure 16.29,多晶硅柵刻蝕步驟,1. 預(yù)刻蝕：去除自然氧化層和表面污染物； 2. 主刻蝕：在不損傷柵氧化層的條件下，刻蝕大部分的多晶硅膜； 3. 過刻蝕：去除殘留物和剩余多晶硅。,在多晶硅刻蝕中不期望的微槽,硅氧化層選擇比：大于150:1 去殘留物過刻蝕比：大于250:1,硅槽：STI 、垂直電容 硅槽的刻蝕,Figure 16.31,金屬刻蝕的主要要求,1. 高刻蝕速率 (1000 nm/min). 2. 對下面層的高選擇比，對掩蔽層 (4:1)，層間介質(zhì)層 (20:1). 3. 高均勻性，且CD控制好，沒有微負(fù)載效應(yīng) (8% at any location on the wafer). 4. 沒有等離子體誘導(dǎo)充電帶來的器件損傷. 5. 殘留污染物少 (e.g., 銅殘留物、顯影液侵蝕和表面缺陷). 6. 快速去膠，通常是在一個專用的去膠腔體中進(jìn)行，不會帶來殘留物污染. 7. 不會腐蝕金屬.,第十六章 刻蝕：16.5.3 金屬干法刻蝕,Figure 16.32,刻蝕金屬復(fù)合膜典型步驟,1. 去除自然氧化層的預(yù)刻蝕. 2. 刻蝕ARC 層 (可能與上步結(jié)合） 3. 主刻蝕：刻鋁. 4. 過刻蝕：去除殘留物，可能是主刻蝕的延續(xù). 5. 阻擋層刻蝕. 6. 防止侵蝕殘留物的選擇性去除. 7. 去除光刻膠.,鎢的反刻,Figure 16.33,16.6 濕法腐蝕,Wet Etch Parameters Types of Wet Etch Wet Oxide Etch Wet Chemical Strips,濕法腐蝕參數(shù),Table 16.7,氧化層腐蝕速率 BHF 25 C,Table 16.8,濕法腐蝕,非關(guān)鍵尺寸中 腐蝕殘膠影響腐蝕進(jìn)行 各向同性 SiO2 HF腐蝕,KOH在晶向的腐蝕速率比晶向快100倍,(100)晶面與（111）晶面的夾角：54.7,16.7 刻蝕技術(shù)的發(fā)展,多晶硅刻蝕技術(shù)的發(fā)展,16.8 去除光刻膠,等離子去膠 去膠機(jī)概述 等離子體損傷 去除殘留物,去膠機(jī)中氧原子與光刻膠的反應(yīng),Figure 16.34,過刻蝕通孔覆蓋物,Figure 16.35,第十六章 刻蝕：16.9 刻蝕檢查,刻蝕工藝最后一步就是進(jìn)行刻蝕檢查以確?？涛g質(zhì)量，在刻蝕和去膠完成之后進(jìn)行； 最重要的檢查之一是對特殊掩蔽層的檢查，以確保關(guān)鍵尺寸正確。,第十六章 刻蝕：16.10 刻蝕質(zhì)量測量,刻蝕質(zhì)量測量： 1、關(guān)鍵尺寸偏差； 2、金屬腐蝕； 3、刻蝕后的側(cè)壁污染物； 4、負(fù)載效應(yīng)；