西安交通大学微电子制造技术第十六刻蚀.ppt
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1、,微电子制造技术 第 16 章 刻 蚀,概 述,刻蚀是将硅片表面上淀积的各种绝缘介质、金属薄膜等按照掩膜版的图形结构选择性的去除,以便形成各种各样的器件结构和电路的互连。 刻蚀工艺是在显影检查完后进行,一旦膜层材料被刻蚀去除,在刻蚀过程中所造成的缺陷将无法弥补而使整个硅片报废。 刻蚀的要求取决于要制作的图形类型。如金属层、多晶硅栅、隔离槽、通孔等。因为结构的不同,所以具有大量不同刻蚀参数的材料。 特征尺寸的缩小使刻蚀工艺对尺寸的控制要求更加严格,也更加难以检测。,学 习 目 标,1. 了解9个主要的刻蚀参数; 2. 描述干法刻蚀的优点及基本原理; 列举一个介质、硅、金属干法刻蚀的实际 例子;
2、4. 熟悉湿法刻蚀及其应用; 了解刻蚀检查以及相关的重要的质量测量 方法。,刻蚀原理,刻蚀是利用化学或者物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形。因此,刻蚀过程中光刻胶层起着有效保护下面的膜层不受浸蚀的作用。图16.1是常规COMS栅刻蚀工艺示意图。,Figure 16.1,刻蚀工艺,刻蚀工艺的类型 湿法刻蚀 干法刻蚀 需要刻蚀的三种主要材料 硅 介质 金属 有图形的刻蚀和无图形的刻蚀,刻蚀参数,为了将掩膜图形复制到硅片表面的材料上,刻蚀必须满足一些特殊的要求,包括以下刻蚀参数。 刻蚀速率 刻蚀剖面 刻蚀偏差 选择比 均匀性 残留物 聚
3、合物 等离子体诱导损伤 颗粒沾污和缺陷,刻蚀速率,刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除薄膜表面材料的速度(见图16.3),通常用/min表示。刻蚀速率由工艺和设备变量决定,如被刻蚀材料类型、刻蚀机的结构、使用的刻蚀气体和工艺参数等。刻蚀速率可用下式来计算。 刻蚀速率=T/t(/min) 其中,T=去掉的材料厚度() t=刻蚀所用的时间(min) 刻蚀速率通常正比于刻蚀剂的浓度,也与被刻蚀的图形的几何形状有关。刻蚀的面积越大刻蚀速率就越慢,因为刻蚀所需要的刻蚀剂气体就越多,这被称为负载效应。,Figure 16.3 刻蚀速率,刻蚀剖面,刻蚀剖面指的是被刻蚀图形的恻壁形状。有两种基本的刻蚀剖面,分别为各向
4、同性的刻蚀剖面和各向异性刻蚀剖面。 各向同性刻蚀剖面是指在所有方向以相同的刻蚀速率进行的刻蚀(见图1.4)。湿法化学腐蚀就是各向同性刻蚀,因而不能用于亚微米器件制造中的选择性图形刻蚀。,Figure 16.4 湿法各向同性刻蚀,对于亚微米尺寸的图形来说,希望刻蚀剖面是各向异性的,即刻蚀只在垂直于硅片表面的方向进行(见图16.5),只有很少的横向刻蚀。各向异性刻蚀对于亚微米器件的制作来说非常关键。各向异性刻蚀大部分是通过干法等离子体刻蚀来实现的。,Figure 16.5 具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀,Table 16.1 湿法刻蚀和干法刻蚀的恻壁剖面,刻蚀偏差,刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽几何尺寸
5、的变化(见图16.6)。它通常是由于横向钻蚀引起的(见图16.7),但也会由刻蚀剖面引起。当刻蚀中去除掩膜层下过量的材料时,会引起被刻蚀材料的上表面向光刻胶边缘凹进去,这就是横向钻蚀。计算刻蚀偏差的公式如下: 刻蚀偏差=WbWa 其中,Wb =刻蚀前光刻胶的线宽 Wa =光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽,Figure 16.6 湿法刻蚀和干法刻蚀的恻壁剖面,Figure 16.7 刻蚀中的横向钻蚀和倾斜,刻蚀选择性 选择比是指在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料刻蚀速率的比值(见图16.8)。高选择比意味着只刻蚀想要刻蚀的材料,而对其它材料的刻蚀微乎其微。对被刻蚀材料和掩膜材料的选择比SR可以通过
6、下式计算: SR =Ef/Er Ef =被刻蚀材料的刻蚀速率 Er =掩膜材料的刻蚀速率 高的选择比可以是100:1,Figure 16.8,刻蚀均匀性,刻蚀均匀性是衡量刻蚀工艺在整个硅片上,或者整个一批或批与批之间刻蚀能力之间的参数。均匀性与选择比有密切关系,因为非均匀刻蚀会产生额外的过刻蚀。保持刻蚀均匀性是保证制造性能一致的关键。难点在于刻蚀工艺必须在刻蚀具有不同图形密度的硅片上保证均匀性。 刻蚀的不均匀,是因为刻蚀速率与刻蚀剖面、图形尺寸和宽度有关。因为刻蚀速率在刻蚀小窗口图形时较慢,甚至在具有高深宽比的小尺寸图形上刻蚀居然停止。这一现象被称为深宽比相关刻蚀(ARDE),也被称为微负载效
7、应。为了提高均匀性,必须把硅片表面的ARDE效应降到最小。,Figure 16.9 刻蚀均匀性检测方法,残留物 刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面的刻蚀副产物。通常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底部。产生的原因有:被刻蚀的材料、腔体中的污染物、膜层中不均匀的杂质分布等。 刻蚀残留物是芯片制造过程中的硅片污染源,并能在去除光刻胶过程中带来一些问题。为了去除刻蚀残留物,可以在刻蚀完成后进行微量的过刻蚀,也可以在去除光刻胶的过程中进行清除。 聚合物 为了获得良好的异性刻蚀,防止横向刻蚀,在刻蚀过程中可以有意在恻壁上形成一层聚合物(见图16.10) ,增强刻蚀的方向性,实现对图形关键尺寸的良好控制。恻壁聚
8、合物可以通过刻蚀过程中由光刻胶中的碳转化而来并与刻蚀气体和刻蚀生成物结合在一起而形成。,Figure 16.10 聚合物恻壁钝化来提高各向异性,干法刻蚀 在先进的半导体生产中,干法刻蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法。主要目的是完整地把掩膜图形复制到硅片表面上,与湿法刻蚀相比其优点列于下表中。,Table 16.2,Figure 16.11 硅片的等离子体刻蚀过程,刻蚀机理,干法刻蚀系统中,刻蚀是通过化学或物理作用或者是两个的共同作用来实现的(见图16.12)。 在纯化学机理中,等离子体产生的反应元素(自由基和反应原子)与硅片表面的物质发生反应,为了获得高的选择比,进入反应腔的气体都要经过
9、慎重的选择。等离子体化学刻蚀是各向同性的,因而线宽控制较差。 物理刻蚀的机理是利用等离子体产生的高能离子在强电场作用下向硅片表面加速,这些加速的离子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的表面材料。具有很强的刻蚀方向性,从而可以获得高的各向异性刻蚀剖面。刻蚀速率高,选择比差。,Figure 16.12 化学和物理的干法刻蚀机理,化学干法等离子体刻蚀与 物理干法等离子体刻蚀的比较,Table 16.3,改变等离子体刻蚀参数的影响,Table 16.4,等离子体刻蚀反应器,干法等离子体反应器有下面不同的类型: 园桶式等离子体反应器 平板(平面)反应器 顺流刻蚀系统 三级平面反应器 离子铣 反应离子刻蚀 高密
10、度等离子体刻蚀机,干法刻蚀机比较,Table 16.5,终点检测,干法刻蚀不同于湿法刻蚀之处在于它对下面的材料没有好的选择比。基于这种原因,刻蚀过程中必须有在线检测装置用于精确控制刻蚀过程,以减小对下面材料的过渡刻蚀或刻蚀不足。终点检测系统通过测量一些不同的参数(刻蚀速率的变化、刻蚀中被去除的刻蚀产物的类型、气体放电中活性反应剂的变化等)来控制刻蚀停止与否(见图16.24)。 用于终点检测的一种方法是光发射谱。在气体辉光放电中被激发的原子或分子所发出的光可用光发射谱来分析,通过光的强度与相关元素的相对浓度有关而鉴别出该元素。达到鉴别被刻蚀的材料。对应于特定材料的波长的光见表16.6。,Figu
11、re 16.24 等离子刻蚀终点检测,表16.6 等离子体刻蚀中被激发的基团的特征波长,干法刻蚀的应用,介质的干法刻蚀 氧化物 氮化硅 硅的干法刻蚀 多晶硅栅刻蚀 单晶硅的刻蚀 金属的干法刻蚀 铝和金属复合层 钨的反刻 接触金属刻蚀,干法刻蚀的要求,1. 高的选择比 2. 高的刻蚀速率 3. 好的恻壁剖面控制 4. 好的片内均匀性 5. 低的器件损伤 6. 宽的工艺容限。,设备参数: 设备设计 电源 电源频率 应力 温度 气流速率 真空状况 工艺菜单 其它相关因素: 净化间规范 操作过程 维护过程 预防维护计划,工艺参数: 等离子体表面相互作用 - 表面材料 - 复合金属的不同层 - 表面温度
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