《集成電路工藝原理》8.7-8.13掩模版-干法刻蝕速率1

1、8.7 掩模版（光刻版）8.7.1 基版材料：玻璃、石英。 要求：透光度高，熱膨脹系數(shù)與掩膜材料匹配。 環(huán)境溫度：0.03C8.7.2 掩膜材料淀積在基版之上 金屬版（Cr版）： Cr2O3抗反射層/金屬Cr / Cr2O3基層 特點(diǎn)：針孔少，強(qiáng)度高，分辨率高。 乳膠版鹵化銀乳膠 特點(diǎn)：分辨率低（2-3 m），易劃傷。8.7.3 掩模版的保護(hù)膜 防止在掩模版上形成缺陷目前使用的材料：硝化纖維素醋酸鹽和碳氟化合物形成的保護(hù)膜厚度：12um，保證透光性且足夠結(jié)實(shí)及耐清洗。對(duì)掩模版的清洗：去離子水先清洗，再通過(guò)弱表面活性劑和手工擦洗。8.7.4 移相掩模（PSM）PSM：Phase-Shift Ma

2、sk作用：消除干涉，提高分辨率；原理：在光掩模版的某些透明圖形上增加或減少一個(gè)透明的介質(zhì)層（移相器），使光波通過(guò)這個(gè)介質(zhì)層后產(chǎn)生180的相位差，與鄰近透明區(qū)域透過(guò)的光波產(chǎn)生干涉，抵消圖形邊緣的光衍射效應(yīng)，提高曝光的分辨率。 Q=2d/ (n-1)移相層材料：有機(jī)膜：以光刻膠為主， PMMA膠（聚甲基丙烯酸甲酯）無(wú)機(jī)膜：如二氧化硅移相掩模類型：自對(duì)準(zhǔn)邊緣增銳方式交變移相方式衰減移相邊緣增銳方式全透明移相方式8.8 X射線曝光8.8.1 曝光系統(tǒng)X射線：軟X射線，2- 40；通過(guò)高能電子束轟擊一個(gè)金屬靶產(chǎn)生X射線（真空）透過(guò)掩模版窗口（鈹） 常壓下曝光8.8.2 圖形畸變 X射線：近似“點(diǎn)光源”，

3、 在邊緣產(chǎn)生圖形畸變-半陰影和幾何畸變。當(dāng)線寬線寬20時(shí)，產(chǎn)生圖形畸變： 半陰影=S(d/D)；S-樣品與掩模版間距離； d-靶斑的尺寸；D-光源到硅片的距離 幾何偏差x =S(W/D)； W-硅片曝光位置偏離X射線束軸心的距離 若在最邊上，則W=Wr-硅片半徑，故 最大幾何偏差為 xm=S(Wr/D) 其他因素引起的幾何偏差dx=dS(W/D) dS-硅片起伏不平引起的S的變化量8.8.3 X射線光源產(chǎn)生方式：電子碰撞金屬靶，等離子體（點(diǎn)光源）和同步輻射（存儲(chǔ)環(huán)）-近乎平行發(fā)射等要求：具有很高的輻射功率（功率密度0.1W/cm2）尺寸1mm能量要求在1-10kev使用平行光源等離子體X射線光

4、源按產(chǎn)生方式，分激光等離子體源高強(qiáng)度、低價(jià)格，轉(zhuǎn)換效率高，但易產(chǎn)生殘?jiān)w粒。靶材料：Cu高密度等離子體源通過(guò)放電產(chǎn)生X射線光源，輻射功率大。同步輻射X射線源利用高能電子束在磁場(chǎng)中沿曲線軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出電磁輻射（簡(jiǎn)稱同步輻射），從輻射中引出特定波長(zhǎng)范圍的高強(qiáng)度、高準(zhǔn)直性的X射線作為曝光源。優(yōu)點(diǎn)：方向性強(qiáng)，準(zhǔn)直性好，可近似看作平行光源。輻射功率大，半陰影效應(yīng)和幾何畸變可忽略。缺點(diǎn)：同步加速度體積太大，無(wú)法實(shí)用化。8.8.4 掩模版（功能上與傳統(tǒng)的一樣）難度：難以制成高反差的掩模版； （沒(méi)有一種材料對(duì)x射線是高穿透的）材料：薄膜形式 襯底：輕元素材料，Si3N4、BN、Si、Be、SiC； 吸收體：重

5、元素材料，Au、W、Ta。掩模版結(jié)構(gòu)：低原子序數(shù)的輕元素材料-約2um厚的透光薄膜襯底。工藝方法：LPCVD高原子序數(shù)的重元素材料吸收體，并構(gòu)成圖形，由吸收體的圖形形成X射線不透區(qū)。工藝方法：吸收體層-蒸發(fā)、射頻濺射或電鍍 吸收體圖形-電子束掃描光刻、干法刻蝕 和精細(xì)電鍍等要求：見(jiàn)書P2128.8.5 光刻膠采用紫外光刻膠：光靈敏度很低。提高光刻膠靈敏度的方法： 添加對(duì)X射線高吸收的雜質(zhì)。8.9 電子束直寫式曝光直寫式：不用掩模版，直接曝光； （電子穿透距離短）主要用途：制作掩模版；原理：電子與光刻膠碰撞， 發(fā)生反應(yīng)，完成曝光。電子束散射效應(yīng)： 使曝光圖形展寬。可完成0.1-0.25um的超微

6、細(xì)加工，及數(shù)十納米線條的曝光8.9.1 鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)：背散射將使大面積的光刻膠層發(fā)生發(fā)生程度不同的曝光，最終使大面積的圖形模糊，因此造成電子束曝光形成的圖形出現(xiàn)畸變。曝光增強(qiáng)導(dǎo)致圖形凸起；曝光減弱導(dǎo)致圖形缺損。8.9.3 SCALPEL技術(shù)SCALPEL：scattering with angular limitation projection electron-beam lithography， 有限散射角投影式電子束曝光。原理：與光學(xué)投影曝光相似。特點(diǎn)：電子束曝光的高分辨率和光學(xué)投影曝光的高效率。光刻版： 透明層：低原子序數(shù)的SiNx-對(duì)電子散射??； 掩模層：高原子序數(shù)的Cr/W-對(duì)電

7、子散射大。處于投影系統(tǒng)的背焦平面上的光闌可將大角度散射的電子過(guò)濾掉，在光刻膠上形成高對(duì)比度的圖形。8.10 ULSI對(duì)圖形轉(zhuǎn)移的要求圖形轉(zhuǎn)移：把光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上； 方法：刻蝕（腐蝕）-濕法、干法； 要求：保真度；選擇比；均勻性；清潔度。8.10.1 保真度A-表示腐蝕的各向異性的程度 設(shè)縱向腐蝕速率為Vv， 橫向腐蝕速率為Vl，則 A=1- Vl /Vv 若Vv=Vl， A=0，各向同性； 若Vl Vl，各向異性； 若Vl=0，A=1，理想各向異性； 通常： Vv Vl 0，1A0； A=1|df dm| / 2h 指兩種不同材料在腐蝕的過(guò)程中被腐蝕的速率比。用來(lái)描述圖形轉(zhuǎn)移中各層材

8、料的相互影響。 S=r1/r2對(duì)刻蝕過(guò)程的重要性：1待刻材料對(duì)掩模的選擇性決定了掩模材料要多厚才可使它在刻蝕過(guò)程中不會(huì)被完全刻蝕掉。2所有刻蝕過(guò)程均應(yīng)有一定的過(guò)刻，以保證所需要的刻蝕過(guò)程已完成。8.10.2 選擇比8.10.3 均勻性 設(shè)要腐蝕的薄膜平均厚度為h，硅片上各處的厚度變化因子為01，則硅片上最厚處薄膜厚度為h(1+),最薄處h(1-)。 設(shè)腐蝕的平均速度為V，各處的腐蝕速率變化因子為10，則最大腐蝕速率為V (1+ ),最小V (1-)。 設(shè)最厚處用最小速率腐蝕，時(shí)間為tmax，最薄處用最大速率腐蝕，時(shí)間為tmin，則有 tmax = h(1+)/ V (1-) tmin = h(

9、1-) /V (1+ ),8.11 濕法腐蝕特點(diǎn)：各向同性腐蝕。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單， 腐蝕選擇性好。缺點(diǎn)：鉆蝕嚴(yán)重（各向異性差）， 難于獲得精細(xì)圖形。（刻蝕3m以上線條）控制濕法腐蝕的主要參數(shù)：腐蝕溶液的濃度、腐蝕時(shí)間、反應(yīng)溫度以及溶液的攪拌方式等。刻蝕的材料：Si、SiO2、Si3N4；8.11.1 Si的濕法腐蝕常用腐蝕劑 HNO3-HF-H2O(HAC)混合液： HNO3：強(qiáng)氧化劑； HF：腐蝕SiO2； HAC：抑制HNO3的分解； Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2HF-HNO3溶液：HF濃度高，HNO3低，硅腐蝕速率由HNO3濃度決定（與HF濃度無(wú)關(guān)）HF濃度低

10、，HNO3高，硅腐蝕速率由HF濃度決定（即取決于HF 溶解反應(yīng)生成的SiO2的能力） KOH-異丙醇（IPA） 腐蝕速度：（111）面（100）面 可利用腐蝕速度對(duì)晶體取向的依賴關(guān)系制得尺寸為亞微米的器件結(jié)構(gòu)。-微機(jī)械元件制造8.11.2 SiO2的濕法腐蝕常用配方： HF: NH4F: H2O=3ml:6g:10ml (HF溶液濃度為48) HF ：腐蝕劑， SiO2+HFH2SiF6+H2O NH4F ：緩沖劑， NH4FNH3+HF 8.11.3 Si3N4的濕法腐蝕腐蝕液：熱H3PO4，180；8.12 干法刻蝕定義：利用等離子體激活的化學(xué)反應(yīng)或利用高能粒子束轟擊完成去除物質(zhì)的方法。優(yōu)

11、點(diǎn)： 各向異性腐蝕強(qiáng)；分辨率高； 刻蝕3m以下線條。類型： 等離子體刻蝕：利用輝光放電產(chǎn)生活性粒子與需要刻蝕的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成揮發(fā)性產(chǎn)物完成刻蝕，化學(xué)性刻蝕； 濺射刻蝕：通過(guò)高能離子轟擊需刻蝕的材料表面，使表面產(chǎn)生損傷并去除損傷的過(guò)程，純物理刻蝕； 反應(yīng)離子刻蝕（RIE）：結(jié)合 、；8.12.1 干法刻蝕的原理等離子體刻蝕原理 a.產(chǎn)生等離子體:刻蝕氣體經(jīng)輝光放電后，成為具有很強(qiáng)化學(xué)活性的離子、電子及游離基-等離子體。 CF4 RF CF3*、CF2* 、CF* 、F* BCl3 RF BCl3* 、BCl2* 、Cl* b.等離子體活性基團(tuán)與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。特點(diǎn)：選擇性好； 各向

12、異性差?？涛g氣體： CF4 、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。濺射刻蝕原理 a.形成能量很高的等離子體，通過(guò)碰撞，發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移； b.等離子體轟擊被刻蝕的材料，傳遞能量大于原子結(jié)合能，使其被撞原子飛濺出來(lái)，形成刻蝕。特點(diǎn)：各向異性好；選擇性差?？涛g氣體：惰性氣體；反應(yīng)離子刻蝕原理 同時(shí)利用了濺射刻蝕和等離子刻蝕機(jī)制；特點(diǎn)：各向異性和選擇性兼顧?？涛g氣體：與等離子體刻蝕相同。三種刻蝕技術(shù)都利用低壓狀態(tài)下的氣體放電來(lái)形成等離子體作為干法刻蝕的基礎(chǔ)，區(qū)別是放電條件、使用氣體的類型、所用反應(yīng)系統(tǒng)的不同8.12.2 SiO2和Si的干法刻蝕刻蝕劑：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C

13、3F8 ； 目的：用來(lái)提供碳原子及氟原子與SiO2進(jìn)行反應(yīng)。 等離子體： CF4 CF3*、CF2* 、CF* 、F*化學(xué)反應(yīng)刻蝕： CF4 +e CF3 +F* +e F*+SiSiF4 F*+SiO2 SiF4+O2 CF3*+SiO2 SiF4+CO+CO2 ULSI工藝中對(duì)SiO2的干法刻蝕主要用于刻蝕接觸窗口。 實(shí)際工藝：CF4中加入O2（氧同樣被電離） 作用：調(diào)整選擇比；減少氟原子的消耗，使氟原子數(shù)對(duì)碳原子數(shù)比例，結(jié)果氟原子濃度 ，加快SiO2的刻蝕速度 機(jī)理： CF4+O2F*+O*+COF*+COF2+CO+CO2 （刻蝕硅：初期： F*比例增加；后期：O2比例增加） O2吸附

14、在Si表面，影響Si刻蝕。CF4中加H2作用：調(diào)整選擇比；機(jī)理：刻蝕SiO2 ：刻蝕速度隨氫的組分的而緩慢減小。刻蝕Si：刻蝕速度隨氫的組分的而快速下降。 F*+H*(H2)HF CFX*(x3)+SiSiF4+C(吸附在Si表面） CFX*(x3)+SiO2 SiF4+CO+CO2+COF2F/C比：比較高（添加氧氣），影響傾向于加快刻蝕；比較低（添加氫氣），傾向于形成高分子聚合物薄膜。書中圖8.30 p2548.12.3 Si3N4的干法刻蝕 刻蝕劑：與刻蝕Si、SiO2相同。 Si3N4F* SiF4+N2刻蝕速率：刻蝕速率介于SiO2與Si之間； （Si-N鍵強(qiáng)度介于Si-O鍵和Si-

15、Si鍵）選擇性： CF4： 刻蝕Si3N4/SiO2 -選擇性差。 CHF3：刻蝕Si3N4/SiO2 -選擇性為2-4。 刻蝕Si3N4/Si - 選擇性為3-5。 刻蝕SiO2/Si - 選擇性大于10。8.12.4 多晶硅與金屬硅化物的干法刻蝕多晶硅/金屬硅化物結(jié)構(gòu)：MOS器件的柵極；柵極尺寸：決定MOSFET性能的關(guān)鍵；金屬硅化物：WSi2、TiSi2；腐蝕要求： 各向異性和選擇性都高- 干法腐蝕；刻蝕劑：CF4、SF6、Cl2、HCl；腐蝕硅化物： CF4+ WSi2 WF4+SiF4+C Cl2 + WSi2 WCl4+SiCl4腐蝕poly-Si： 氟化物（ CF4、SF6）-各

16、向同性； 氯化物（ Cl2、HCl）-各向異性。8.12.5 鋁及鋁合金的干法刻蝕鋁及鋁合金的用途：柵電極、互連線、接觸； 鋁合金： Al-Si、Al-Au、Al-Cu；刻蝕方法：RIE、等離子體；刻蝕劑：BCl3、CCl4、CHCl3； Cl*+ Al AlCl3 Cl*+ Al-Si AlCl3+ SiCl4 Cl*+ Al-Cu AlCl3+ CuCl2 （不揮發(fā)）幾個(gè)工藝問(wèn)題： Al2O3的去除：濺射、濕法腐蝕； CuCl2的去除：濕法腐蝕、濺射； 刻蝕后的侵蝕：HCl+Al AlCl3+H28.13 刻蝕速率影響刻蝕速率R的主要因素8.13.1 離子能量和入射角濺射刻蝕刻蝕速率由濺射

17、率、離子束入射角和入射流密度決定。濺射率S：一個(gè)入射離子所能濺射出來(lái)的原子數(shù)。離子能量2kev，大多數(shù)材料的S隨離子能量的單調(diào)上升；離子束入射角：離子射向襯底表面的角度，是S的敏感函數(shù)。從0逐漸，S值逐漸，在某一角度= max時(shí)， S達(dá)到最大值，隨后又逐漸，當(dāng)= 90， S =0。等離子體刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕離子與材料表面之間的化學(xué)反應(yīng)更重要。注意：由等離子體產(chǎn)生的中性粒子與固體表面之間的作用將加速反應(yīng)。圖8.32和8.33所示（書中258-259頁(yè)）離子加速反應(yīng)的機(jī)理：離子轟擊將在襯底表面產(chǎn)生損傷或缺陷，加速了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程；離子轟擊可直接離解反應(yīng)劑分子（XeF2或Cl2）；離子轟擊可以清除表面

18、不揮發(fā)的殘余物質(zhì)?？偨Y(jié)：離子束刻蝕情況與物理過(guò)程有關(guān)，不是惰性氣體離子的化學(xué)反應(yīng)的貢獻(xiàn)。即高能離子通過(guò)物理過(guò)程增強(qiáng)反應(yīng)過(guò)程，與離子的化學(xué)反應(yīng)無(wú)關(guān)。反應(yīng)離子刻蝕，等離子體中產(chǎn)生的主要是中性反應(yīng)物。 中性反應(yīng)物先吸附于固體表面； 再與表面原子反應(yīng)，形成的反應(yīng)物再解吸成揮發(fā)性物質(zhì)。 整個(gè)反應(yīng)可由等離子體中的高能離子誘發(fā)并加速。 高能離子提高反應(yīng)速率的程度取決于所用的氣體、材料和工藝參數(shù)的選取。8.13.2 氣體成份表8.1（P260） 是影響刻蝕速率和選擇性的關(guān)鍵因素。VLSI中主要使用鹵素氣體。選擇氣體的主要依據(jù)：在等離子刻蝕溫度（室溫附近）下，它們是否能和刻蝕材料形成揮發(fā)性或準(zhǔn)揮發(fā)性鹵化物。8.13.3 氣體流速?zèng)Q定反應(yīng)劑的有效供給程度反應(yīng)劑的實(shí)際需要取決于有效反應(yīng)物質(zhì)產(chǎn)生與消耗之間的平衡過(guò)程。刻蝕劑損失的主要機(jī)制：漂移、擴(kuò)散、復(fù)合及附著和輸運(yùn)。流速很小：刻蝕速率受反應(yīng)劑供給量的限制；流速很大：輸運(yùn)成為反應(yīng)劑損失的主要原因。一般情況下，活性反應(yīng)劑的壽命很短，可忽略流速影響；當(dāng)活性反應(yīng)劑的壽命活性反應(yīng)劑的壽命較長(zhǎng)時(shí)，流速對(duì)刻蝕速率產(chǎn)生影響。如圖8.34 （P261）8.13.4 溫度主要通過(guò)化學(xué)反應(yīng)