等离子体刻蚀..

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1、9 IG等离子体刻蚀集成电路的发展1958年:第一个错集成电路1961年：集成”个元件目前：集成bo亿个元件对比：第一台计算机(EN IAC, 1946), 18000只电子管，重达30吨，占 地180平方米，耗电150千瓦。奔II芯片：7.5百万个晶体管集成电路发展的基本规律穆尔法则：硅集成电路单位面积上的晶体管数，每 18个月翻 一番，特征尺寸下降一半。集成度随时间的增长：io*y1 -特征长度随时间的下降:0lkI13集成电路制造与等离子体刻蚀集成电路本质：微小晶体管,M0场效应管的集成微小晶体管，M0场的制作：硅片上微结构制作-槽、孑L 早期工艺：化学液体腐蚀-湿法工艺5微米以上缺点：

2、(a)腐蚀性残液- 降低器件稳定性、寿命(b) 各向同性(c) 耗水量大(why)环境污染预腐蚀区域抗腐蚀掩膜实际腐蚀区随着特征尺寸的下降，湿法工艺不能满足要求，寻求新的工艺 - 等离子体干法刻蚀，在1969引入半导体加工，在70年代开始广泛应 用。等离子体刻蚀工艺流程(a)涂敷光胶掩膜，干化(b)光胶掩膜曝光(c)去除被曝光掩膜(显影)(d)等离子体刻蚀(e)去除光胶(灰化)等离子体刻蚀过程、原理:能量馈入刻蚀反应粒子的产生、输运(1)产生化学活性的带电粒子、中性自由基(2)反应粒子输运3)带电粒子穿越鞘层加速鞘层理鞘层 -(4)反应粒子在刻蚀槽孔内输运、反应例：CF的分解、电离过程C12e

3、V)i?(S.5eV SiCl2SiCl2 2CI SiCl4（why）CF4等离子体刻蚀SiO2反应过程C F斗一 2 F 亠 C F2 (/rivn o/f 1 cr SiO; 4- 4 b SjF4 +20 I ) Si(J；+2CR SiF4 + 2CO (弊店小)离子轰击作用三种主要作用(1) 化学增强物理溅射(Chemical en2haneed physicaIsputteri ng)例如,含氟的等离子体在硅表面形成的SiFx基与元素 Si相比,其键合能比较低，因而在离子轰击时具有较高 的溅射几率，(2) 晶格损伤诱导化学反应(damage - induced chemicalr

4、eacti on)离子轰击产生的晶格损伤使基片表面与气体物质的反 应速率增大(3) 化学溅射(chemical sputtering)活性离子轰击引起一种化学反应，使其先形成弱束缚的 分子，然后从表面脱附。其他作用?加速反应物的脱附- 提高刻蚀反应速度?控制附加沉积物- 提高刻蚀的各向异性?损伤等离子体各向异性的实现等离子体区鞘层卜C4F8 (CxFy)n-钝化层离解表面聚合 C x F y 1）带电粒子通过鞘层加速被准直（2）反应气体在 侧壁沉积形成抗刻 蚀钝化层等离子体刻蚀的特点、优点（1）污染小，刻蚀残存物少（2）可以实现各向异性刻蚀（3）工艺兼容性好：刻蚀、沉积、掺杂缺点:（1）成本高

5、(2) 机理过程复杂，技术难度高(3) 器件损伤大等离子体刻蚀技术 刻蚀指标要求片间、片内均匀性- 各向异性-图形高保真 高刻蚀速率-线宽损失高选择比-刻蚀速率比低损伤?刻蚀技术的趋势:单片工艺大片化(为什么要大片化？)1980 早期 100 to 1501980晚期 150 to 2001990末期 200 to 3002009450原因：提高效率，降低成本微细化1997 1999 2001 2003 2006 2009 20120.25 0.18 0.15 0.13 0.1 0.07 0.05亚微米，深亚微米铜线工艺多层互连1997, 6层- 2002，9层低损伤刻蚀等离子体源的发展趋势低

6、气压大片化高密度高速率 ECR,ICP, HELICON, SWP大面积均匀-脉冲-各类材料/结构刻蚀 微电子硅mono , poly, doped , undoped介质刻蚀-氧化物刻蚀，氮氧化物金属刻蚀-铝，钨，钼光胶掩膜-光电子II-VI, III-V半导体材料，石英光波导 激光器腔面、光栅、镜面（对于刻蚀表面的光滑度、形状控制要求较高）微机电 硅 高刻蚀速率 刻蚀形状图3祁漏卜刻蚀SO材料制作MIMS SEM图堪片尺1 JOd讪5侧壁粗槌度：2了 nm等离子体刻蚀中的各种效应、影响（1）宏观负载效应（macro-loading effect）原因：？单位时间到达单位刻蚀面的反应粒子数量

7、大于应所需要的 粒子刻蚀速率由刻蚀反应速度决定刻蚀面积增加?单位时间到达单位刻蚀面的反应粒子数量小应所需要的 粒子刻蚀速率由反应粒子通量决定 - 反应粒子数量不足 解决方法：(2) 微观负载效应(micro-loading effect)0.95 juuTi0.75 |iim0.62 p.mCONTACT WINDOW DJAMETER-ARDE(Aspect Ratio Depe nde nt Effect)效 应?ARDE与气压的关系Microvav PiosrraCCURcnkO0.8PLrtsm住 Etching 270-Pci 06Cj0.5123Hole Diameter (pm)

8、?ARDE与气体种类的关系可以分析得到造成ARDE的原因：(a) 中性粒子遮蔽(b) 离子遮蔽- 线宽减小，粒子在微槽孔中输运效率降低解决方法：降低气压，提咼离子流方向性(提咼偏置电压)(3) 微结构电荷积累(charge built-up)效应?电荷积累损伤？刻蚀面积（cm 2）?微区差分带电效应-Local notching”一Line & Space -Open area resist poly-SiSi substrate notchFusiflj Wo km冋odmfii(4)不同刻蚀气体的影响(a) CF4 , C2F6, C3F8, C4F10CF4 , C2F6, C3F8,

9、C4F10气体分子中C的含量依次增加，刻蚀 过程中固体表面的C量依次增多。刻蚀速率依次下降。C量的增加对SiO2, Si刻蚀速率的抑制作用不同。原因：能量足够大的离子轰击SiO2表面，能够活化表面的Si0链。 来 自Si0链的氧，可以与表面附着的C反应，从而减小C的 吸收层厚度，或把C层清除(CO,CO2)，使Si02表面有更多与F 反应的机会。Si表面就没有这样的能力(why),表面会形成比较厚(2 nm / 7 nm)的聚合物薄层，绝大部分离子不能直接轰击到硅表面上。 因此C/ F比高的氟碳化合物等离子体中，Si的刻蚀速率大大下指导结论(1): |,当等离子体中的F : C比率较高(4)时

10、,刻蚀Si的速 率就比刻蚀SiO2的速率快，当等离子体中的F : C比率较低( 如选用 CHF、C2F6 和GF8指导结论（2:利用改变C/F比控制SiO2Si的刻蚀选择比（b）不含碳气体-Cl2,NF3,SF6刻蚀Si的速率就比刻蚀SiO2的速率快。 原因：（化学键能）龍4-?装姿储学壘的耀能CFCOSiSi筍一F阳一1 Si-H1n一ffccal/ maleI 425IBI42.2135.2532.25170,4104.2555化学建HO00FFStNN板州一Oc-c糙能kcal/mi-110.6I lfi.3C.6121.73JJ-443包4反应（刻蚀）速率（5）不同添加刻蚀气体的作用?

11、 CF4中加02的作用CF4等离子体中掺入02后能提高|si和Si02的刻蚀速率 原因：02促进刻蚀反应粒子的产生CFs* 十 02 COFa +OF*CF $ .十 0 a COF a H- F 20F* 2F- +OaOF* + CF3 * COF： + 2F*复合（聚合）反应被抑制OF,* +F CE4CFs* 十 CF3* C2FCFz： GF例：CF4/O2等离子体刻蚀Si.? C4F8中加出的作用CF4等离子体中掺入H2后能显著降低Si的刻蚀速率，SiO2刻蚀 速率略微下降。提高SiO2对Si的刻蚀比。原因：加入出降低了 F原子的浓度，增加了聚合物沉积。 CHF3, CH2F2和C

12、H3F有相同的效果.e_E5一 昱站IXIPLd1020304050%一 AU.5PS.&S1001010?刻蚀气体中加入加氩气、氮气1010CF4 5F& CaFs C4F310Gas Chemisky10Pressure : SmTorr Power : IkWAr (W%4 2 0 e2E0dulol LIoJLPals : mlCF4CoFfl GFgGas Chemistry002fivGa$ Chemistry0000匚 0 百上 uq pa)NHDE0u Qz解释：氩、氦添加气体影响电子与中性气体的动量交换，控制电 子能量分布函数，电离、离解之间的平衡。氩、氦将EED向高能推移氩

13、提高电子密度，提高nionn cf氦主要提高反应气体离解率，离解程度。（原因?）（原因 ?）（6）基片温度对刻蚀的影响对刻蚀速率（Si）的影响0,67 PaELLruL0.01-200-150100- 50*鮒f ZC对侧壁刻蚀速率的影响Temperature Cc)对沉积速率的影响5壬 ps】o肓c匸03LOO-1-o o o O0 5 0 53 2 2 1m c-(dT/dt)= ICD A Vsh-ea A 仃亿Tj)140CW .ICKJOW-45050-0 025。500750100012501500Time (s)装置壁温度对刻蚀速率的影响450450Reactor Wall Te

14、mperature (C)500刻蚀速率随放电时间的变化0些de Esh Ra(nm 亍 in) o o o o o o o o4 3 2Time (s)7060(uem 皂 mH LPI1J-SW乏350002-5C50500500原因：放电初期，装置壁温度低，CFX膜沉积在装置壁上，基片上的沉积 少,Si,SiN x的刻蚀速率高。装置壁温度随放电进行升高后，壁上的薄膜沉积减少，基片上的沉 积增加，Si,SiN x的刻蚀速率下降。SiO 2刻蚀受薄膜沉积的影响小，刻蚀速率受装置壁温度的影响小。放电气压对旁刻速率的影响.84o051015202530PRESSURE (mTorr)6 o2 a

15、35(8) 基片偏置对各向异性刻蚀的影响偏置大小心)(b)(c)(d)400W500W600W700W1.5(36)0)0* 6WIPL&pon-diujonci2UHF Power: 1KW 3mTorrRF Bias: 1MHz0206LOPattern Width (pm)偏置频率频率对自偏压大小的影响freque ncySQTDfLescD偏置频率对刻蚀速率的影响100050050Vpp (VJ1500eErv-善 H 6.E弋Ln一 s原因：(1)低频时，能量用于加速的比例高，用于电离的少。(2)低频偏置的自偏压小，波形接近正负对称。在正偏 置时，负离子也可以进入鞘层轰击刻蚀表面。

16、高频偏置时，负离子不能得到利用。Ian Curnaftllow CyrrfM45 0 5 01103 310=習左一1若n(10)刻蚀反应过程中尘埃影响等离子体刻蚀机拍摄尘埃实验安排Camera5 SeoPtasma ToolLASERMirror尘埃照片图不同放电条件的单片细节图Par AdesGraphne Electrode CoverSilicon W il er通常的尘埃空间分布图Top Viewp rlicle cioucrs-hanrtfrerSide View 蜜window Vf毗rliirnpring mE i J UB. I ” H” - I. ,i1 Lg aMLja

17、!-iRfticte trapping.Ze、6screwelEWodc基片的降落尘埃的SEM照片099101 15KV Xi6：齬9：航刻蚀等离子体尘埃的集结300 nm(11 )脉冲放电对刻蚀的影响脉冲放电的等离子体参数时间演化50脉冲放电对刻蚀速率的影响- 提高poly Si对SiQ刻蚀选择率的方法01500150G一 UJ、alow 6WIINUJMow3用50Pulse Width (psec)005000020)00CE、采用高电导率金属材料- 铜取代铝（2）降低C - 采用低k绝缘介质材料- SiOFx取代SiO2铜线工艺带来的新问题：低温下，CuClx, CuF勺挥发率低，虽然

18、在高于200 的温度 F可以取得满意的挥发率，但高温工艺带来许多缺点。解决方法：大马士革镶嵌法（流程图）（传统工艺：沉积铝膜，然后刻蚀）ni&KaruS图4双慢工艺流思()淀积SiN, (b)淀积复化物介UL (c)制通几图形I (d)腐蚀鸽分通扎并制备沟槽田彫I(e)沟槽与通扎險蚀后澡积R1打层和軒晶展；(f)沉积；(g)出CMP和顶足SiN淀积J 6 Cu k连线 CMOS * 路刻蚀等离子体源的发展(1)简单RFCCP刻蚀源上世纪70年代，集成电路的快速发展需要干法刻蚀工艺 1973年 美国人Reinbergl申请射频平板装置专利 射频平板装置盛行了 10年各种变形(i) Open En

19、ded Diode*(li) TrJodfe(iii) Magnetic Multipole Enhanced Triode00该类装置缺点：(a) 尺寸增加，单片工艺替代批量工艺，刻蚀速率不满足要求(b) 离子能量与密度不能独立控制(c) 低气压下不能获得高密度(2) MERIE刻蚀源装置图EJCTEftMAL SQLEHQtOSPUMP PCflTCONFINED TAftGETTARGETCHAMBM专利：D. Che ng, D. Mayda n, S. Somekh, K. R. Stalder, D. L. An drews, M. Cha ng, J. M. White, J.

20、Y. Wong, V. J. Zeitli n, and D. N. Wang,U.S.Pate nt No. 5,215,619.Applied Materials 公司0刻蚀速率、自偏压随磁场强度的变化00UAQT CONFINED HOLLOW CATWODt.UNCOMFrhlED DIO0EJNCONFINEO HOLLOW CJkTHOC Emm 7A0GET OAMETEH D cm TAWOEr SPAONG 狛 wrcm, 3.3 Pb CFt 严*缈 20030000MAGNETHQN FIELD ( Gbum )问题及解决:基片旋转100 200 30040024 W C

21、ONSTANT IMPUT POWER2,2 P* Cl； 23 ccm FLOW2,3 cm TAHGET SPACINGMAGNETRON0因Magnel13,56MHzTurboi(*!r,|Rhci5jP ShittrJ513 k 56mHiAng*RolaMggnFfic Field CathadrCathoderAnodeMagnet13.56MHwbase Shitter|Rotai ing Magnetic Field*B iTTurboPurrip00场旋转(类似电动机工作方式)(3) 换代型低气压、高密度刻蚀源ECRICPHelic onSWP国际半导体刻蚀设备市场的主流机型：ICP0微波等离子技术的历史（ 1949年）早于 rfCCP1950年有DC磁场增强微波放电的报道Hittorf 1184 研究 rf 感性放电 , 被公认为最早。 1929年大气压 rf inductive 放电成为使用工具 加热壁 .J. Givens, S. Geissler, J. Lee, O. Cain, J. Marks, P. Keswick, and C. Cunningham, J. Vac. Sci. Technol. B12, 427 （ 1994）