半導(dǎo)體器件工藝學(xué)之刻蝕

1、1刻蝕的概念 2刻蝕工藝 3刻蝕新技術(shù),（一）基本概念 刻蝕：用化學(xué)的或物理的或化學(xué)物理結(jié)合的方式有選擇的去除材料,去膠后,刻蝕后,光刻后,刻蝕速率 刻蝕剖面 刻蝕偏差 選擇比 均勻性,刻蝕速率：去除材料的速度 單位：A/min 公式：T/t,刻蝕剖面：刻蝕后圖形的側(cè)壁形狀 各向同性 各向異性 各向異性對制作亞微米器件很關(guān)鍵,各向同性 各向異性,刻蝕后線寬或關(guān)鍵尺寸間距的變化 通常是由橫向鉆蝕引起。,選擇比：兩種材料刻蝕速率的比 公式：S=Ef/Er 高選擇比意味著只刻除想要刻去得那層材料。,衡量刻蝕工藝在整個(gè)硅片上，或整個(gè)一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù) 保持硅片的均勻性是保證制造性能一致的

2、關(guān)鍵 難點(diǎn)在于在刻蝕具有不同圖形密度的硅片上保持均勻性,（微負(fù)載效應(yīng)）深寬比相關(guān)刻蝕：具有高深寬比硅槽的刻蝕速率要比低深寬比硅槽的刻蝕速率慢 對于高深寬比的圖形窗口，化學(xué)刻蝕劑難以進(jìn)入，反應(yīng)生成物難以出來,2 刻蝕工藝 分類 按照材料 金屬刻蝕 介質(zhì)刻蝕 硅刻蝕 按照刻蝕工藝 濕法刻蝕 干法刻蝕,材料刻蝕有：金屬刻蝕，介質(zhì)刻蝕和硅刻蝕 介質(zhì)刻蝕： （如SiO2）接觸孔和通孔制作需要刻蝕介質(zhì) 電介質(zhì)刻蝕一般用含碳氟的氣體，如CF4,CHF3,CH2F2,C4F8,C3F6等，然后再加上適當(dāng)?shù)腁r,O2,N2等氣體,硅刻蝕： 如：刻蝕多晶硅晶體管柵和硅槽電容 刻蝕硅/多晶硅一般用Cl2,HBr,O

3、2等氣體 金屬刻蝕： 如：金屬層上去除鋁合金，制作互連線 刻蝕Al金屬一般用Cl2,BCl3,CHF3,N2等氣體,一、濕法刻蝕 液體化學(xué)試劑（酸、堿和溶劑等）以化學(xué)方式去除硅片表面材料 反應(yīng)產(chǎn)物必須是易揮發(fā)性的或可溶于刻蝕劑的物質(zhì)，否則會成為沉淀，影響刻蝕的進(jìn)行,特點(diǎn)： 各向同性 難以精確控制線寬和獲得精細(xì)圖形 難控制參數(shù) 化學(xué)試劑處理 高選擇性 無離子體損傷 設(shè)備簡單 方式：浸泡 噴射 應(yīng)用：通常用于大尺寸刻蝕（ 3m尺寸 ），一般用于整體剝離或去除干法刻蝕后的殘留物等,利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基(處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團(tuán)等)與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作

4、用而達(dá)到刻蝕的目的 特點(diǎn)：橫向鉆蝕小，無化學(xué)廢液，分辨率高，細(xì)線條，操作安全，簡便；處理過程未引入污染；易于實(shí)現(xiàn)自動化，表面損傷小。 缺點(diǎn):成本高,設(shè)備復(fù)雜。,等離子刻蝕 桶式 下游式 濺射與離子束銑蝕 離子束刻蝕 反應(yīng)離子刻蝕(RIE) 高密度等離子刻蝕 反應(yīng)離子刻蝕,刻蝕方式,下游式刻蝕系統(tǒng),等離子體刻蝕的基本原理 腐蝕氣體分子在高頻電場作用下發(fā)生電離形成等離子體, 其電離反應(yīng)式一般可寫為,式中A2 表示電離氣體, A+為正離子, e為電子, A為化學(xué)性質(zhì)很活潑的自由基, 自由基和被刻蝕材料之間的化學(xué)反應(yīng)對材料產(chǎn)生腐蝕作用, 反應(yīng)生成揮發(fā)性極強(qiáng)的氣體被抽走。,離子束銑( Ion Milli

5、ng) 是近年來發(fā)展較快的一種離子剝離技術(shù)。該技術(shù)主要利用攜帶能量的離子轟擊靶材料所產(chǎn)生的物理濺射刻蝕效應(yīng),離子刻蝕速率表示如下: dh( H) / dt = R( H) / cos(H) = R( H) 1 + tan2( H) 1/2,當(dāng)離子束入射的角度較大時(shí), 材料表面反射的離子束也增多。因此, 隨著角度H的增大, 越來越少的離子滲入到材料的有效表面。為保證離子的有效滲入, 定義臨界角Hc 。離子束的濺射場與靶材料的原子數(shù)Z 有關(guān), 材料的原子數(shù)Z 越高, 刻蝕速率越高; 反之則越低。,反應(yīng)離子刻蝕(RI E) 反應(yīng)離子刻蝕(RI E) 是一種物理和化學(xué)共同作用的刻蝕工藝, 利用高頻電場

6、下氣體輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊的物理效應(yīng)和活性粒子的化學(xué)效應(yīng)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)加工目的的一種技術(shù)。一般來說, 它具有較高的刻蝕速率, 良好的方向性的選擇性, 能刻蝕精細(xì)結(jié)構(gòu)的圖形。（磁增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)，電子回旋共振刻蝕系統(tǒng)）,本產(chǎn)品通過物理與化學(xué)相結(jié)合的方法，對很細(xì)的線條（亞微米以下）進(jìn)行刻蝕以形成精細(xì)的圖形。,主要用于微電子、光電子、通訊、微機(jī)械、新材料、能源等領(lǐng)域的器件研發(fā)和制造。,深層反應(yīng)離子刻蝕(DRIE) 系統(tǒng)己經(jīng)足以刻蝕深寬比超過50的深槽硅結(jié)構(gòu)，對于光阻的刻蝕選擇比己超過100:1，刻蝕深度均勻度也可以控制在3%以內(nèi)。,先進(jìn)的IC技術(shù)中刻蝕關(guān)鍵層最主要的刻蝕方法是采用單片處理的高密度

7、等離子體刻蝕技術(shù)，高密度等離子體刻蝕可以在高深寬比圖形中獲得各向異性刻蝕 標(biāo)準(zhǔn)等離子體刻蝕，對于0.25m以下尺寸，刻蝕基難以進(jìn)入高深寬比圖形，刻蝕生成物難以從高深寬比圖形出來。,解決：低壓，以增加氣體分子和離子的平均自由程。但同時(shí)由于壓力減少而減少了離子密度，從而降低了刻蝕速率，所以采用高密度等離子體技術(shù)，以產(chǎn)生足夠的離子，從而獲得可接受的刻蝕速率,ICP 刻蝕的基本機(jī)理 ICP 刻蝕過程主要包括兩部分 1：刻蝕氣體通過電感耦合的方式輝光放電,產(chǎn)生活性游離基、亞穩(wěn)態(tài)粒子、原子等以及它們之間的化學(xué)相互作用; 2：這些活性粒子與基片固體表面的相互作用。,ICP 刻蝕參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響 電學(xué)參數(shù)

8、,包括電源、頻率、電子偏壓 環(huán)境參數(shù)包括壓力、溫度、氣體選用與分配、氣體流量、磁場強(qiáng)度;. 設(shè)備參數(shù),包括電極面積/ 形狀、反應(yīng)腔幾何形狀、反應(yīng)腔材料、反應(yīng)腔體積、電極材 料、氣體配比設(shè)計(jì),中微發(fā)布Primo D-RIE刻蝕設(shè)備，面向22納米及以下工藝 中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司(以下簡稱“中微”)日前發(fā)布面向22納米及以下芯片生產(chǎn)的第二代300毫米甚高頻去耦合反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備-Primo AD-RIE。 2011年7月,Primo AD-RIE在促進(jìn)中微第一代刻蝕設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，又大大擴(kuò)大了其自身的加工領(lǐng)域。 該設(shè)備的主要部分是一組創(chuàng)新的少量反應(yīng)臺反應(yīng)器的簇架構(gòu)，可以靈活地裝置多達(dá)三個(gè)雙反應(yīng)臺反應(yīng)器，以達(dá)到最佳芯片加工輸出量。每個(gè)反應(yīng)器都可以實(shí)現(xiàn)單芯片或雙芯片加工。獨(dú)特的反應(yīng)器腔體設(shè)計(jì)融合了中微專有的等離子體聚焦和噴淋頭技術(shù)，確保了芯片加工的質(zhì)量。Primo AD-RIE的一些基本特征使其更具備28納米以下關(guān)鍵刻蝕加工的能力,未來發(fā)展方向 在集成電路