現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝.ppt

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圖形曝光與光刻 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices 圖形曝光與刻蝕 圖形曝光 lithography 是利用掩模版 mask 上的幾何圖形 通過光化學(xué)反應(yīng) 將圖案轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體晶片上的感光薄膜層上 光致抗蝕劑 光刻膠 光阻 的一種工藝步驟 這些圖案可用來定義集成電路中各種不同區(qū)域 如離子注入 接觸窗與壓焊墊區(qū) 而由圖形曝光所形成的抗蝕劑圖案 并不是電路器件的最終部分 而只是電路圖形的印模 為了產(chǎn)生電路圖形 這些抗蝕劑圖案不像再次轉(zhuǎn)移至下層的器件層上 這種圖案轉(zhuǎn)移是利用腐蝕工藝 選擇性地將未被抗蝕劑掩蔽的區(qū)域除去 光學(xué)圖形曝光 潔凈室 在集成電路制造中 主要的圖形曝光設(shè)備是利用紫外光 0 2 0 4 m 的光學(xué)儀器 主要討論曝光裝置 掩模版 抗蝕劑與分辨率 塵埃粒子在掩模版圖案上所造成的不同腐蝕的影響 在IC制造中必須要求潔凈的廠房 特別是圖形曝光的工作區(qū)域 因?yàn)閴m?？赡軙掣接诰蜓谀０嫔显斐善骷娜毕輳亩请娐肥?英制系統(tǒng)等級數(shù)值是每立方英尺中直徑大于或等于0 5um的塵埃粒子總數(shù)不準(zhǔn)超過設(shè)計(jì)等級數(shù)值 公制系統(tǒng)等級數(shù)值是每立方米中直徑大于或等于0 5um的塵埃粒子總數(shù)不準(zhǔn)超過設(shè)計(jì)等級數(shù)值 以指數(shù)計(jì)算 底數(shù)為10 光刻機(jī) 光刻機(jī)的性能由三個參數(shù)判斷 分辨率 套準(zhǔn)精度與產(chǎn)率 分辨率 能精確轉(zhuǎn)移到晶片表面抗蝕劑膜上圖案的最小尺寸 套準(zhǔn)精度 后續(xù)掩模版與先前掩模版刻在硅片上的圖形相互對準(zhǔn)的程度 產(chǎn)率 對一給定的掩模版 每小時能曝光完成的晶片數(shù)量 光學(xué)曝光方法 遮蔽式曝光和投影式曝光 遮蔽式曝光 可分為掩模版與晶片直接接觸的接觸式曝光和二者緊密相鄰的接近式曝光 若有塵?；蚬柙度胙谀０嬷?將造成掩模版永久性損壞 在后續(xù)曝光的晶片上形成缺陷 投影式曝光 在掩模版與晶片間有一距離 10 50um 但這一間隙會在掩模版圖案邊緣造成光學(xué)衍射 導(dǎo)致分辨率退化 投影式曝光 對遮蔽式曝光 最小線寬 臨界尺寸 可用下式表示 其中 是曝光光源的波長 g是掩模版與晶片間的間隙距離 當(dāng) 與g減小時 可以得到lCD縮小的優(yōu)勢 然而 當(dāng)給定一個g 任何大于g的微塵粒子都會對掩模版造成損壞 一個投影系統(tǒng)的分辨率可以表示為 是光源波長 k1為與工藝有關(guān)的參數(shù) DNA是數(shù)值孔徑 DNA的定義為 N是影像介質(zhì)的折射率 是圓錐體光線聚于晶片上一點(diǎn)的半角度值 其聚焦深度為 簡單的成像系統(tǒng) 由于有較高的光強(qiáng)度與穩(wěn)定度 高壓汞燈被廣泛用作曝光光源 掩模版 用于IC制造的掩模版通常為縮小倍數(shù)的掩模版 掩模版的第一步為設(shè)計(jì)者用CAD系統(tǒng)完整地將版圖描繪出來 然后將CAD得到的數(shù)據(jù)信息傳送到電子束圖形曝光的圖形產(chǎn)生器 再將圖案直接轉(zhuǎn)移至對電子束敏感的掩模版上 掩模版是由融凝硅土的基底覆蓋一層鉻膜組成 電路圖案先轉(zhuǎn)移至電子敏感層進(jìn)而轉(zhuǎn)移至底下的鉻膜層 掩模版便完成了 一般而言 一組完整的IC工藝流程包含10 20道不同的掩模版 標(biāo)準(zhǔn)尺寸的掩模版襯底由15 10cm2 0 6cm厚的融凝硅土制成 掩模版尺寸是為了滿足4 1與5 1的曝光機(jī)中透鏡透光區(qū)域的尺寸 厚度的要求是避免襯底扭曲而造成圖案位移的錯誤 融凝硅土襯底則利用其熱膨脹系數(shù)低 對短波長光的透射率高與高機(jī)械強(qiáng)度 IC掩模版 缺陷密度是掩模版好壞的主要原因之一 掩模版缺陷可能在制造掩模版時或是接下來的圖形曝光工藝步驟中產(chǎn)生 即使是一個很小的掩模版缺陷密度都會對IC的成品率產(chǎn)生很大的影響 成品率的定義是 每一晶片中正常的芯片數(shù)與中芯片數(shù)之比 若取一級近似 某一層掩模版與成品率Y之間的關(guān)系式為 D為每單位面積致命缺陷的平均數(shù) A為IC芯片的面積 若D對所有的掩模版層都是相同值 如N 10層 則最后成品率為 10道掩模版的成品率 每道掩模版中包含不同缺陷密度所產(chǎn)生的影響 抗蝕劑 抗蝕劑是對光敏感的化合物 依其對光照的反應(yīng)分成正性和負(fù)性 正性抗蝕劑 被曝光的區(qū)域?qū)⒆兊幂^易溶解 可以在顯影步驟時較容易被去除 所產(chǎn)生的圖案將會與掩模版上的圖案一樣 負(fù)性抗蝕劑 被曝光區(qū)域的抗蝕劑將變得較難溶解 所產(chǎn)生的圖案與掩模版上的相反 正性抗蝕劑包括 感光化合物 樹脂基材和有機(jī)溶劑 曝光后 曝光區(qū)的感光化合物因吸光改變了本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)而可以溶解于顯影液中 負(fù)性抗蝕劑包括 聚合物和感光化合物合成 曝光后 感光化合物吸收光變成化學(xué)能而引起聚合物鏈反應(yīng) 是聚合物分子發(fā)生交聯(lián) 變得難溶解于顯影液中 缺點(diǎn) 顯影中抗蝕劑吸收顯影液而膨脹 限制了分辨率 曝光 顯影后殘存抗蝕劑的百分率與曝光能量有關(guān) 值得注意的是 即使未被曝光 少量抗蝕劑也會溶解 當(dāng)曝光能量增加 抗蝕劑的溶解度也會增加 直到閾值能量ET時 抗蝕劑完全溶解 正抗蝕劑的靈敏度定義為曝光區(qū)域抗蝕劑完全溶解時所需的能量 除ET外 另一稱為反差比 參數(shù)也用來表征抗蝕劑 值越大 即表示曝光能量增加時 抗蝕劑溶解度增加越快 可得陡峭的圖形 正性和負(fù)性抗蝕劑 三層抗蝕劑的工藝步驟 圖案轉(zhuǎn)移 相關(guān)的圖案轉(zhuǎn)移工藝還有剝離與浮脫技術(shù) 1 旋涂抗蝕劑2 曝光3 顯影4 淀積金屬膜5 浸泡腐蝕液中 分辨率增加技術(shù) 在IC工藝中 提供較佳的分辨率 較深的聚焦深度與較廣的曝光寬容度一直是光學(xué)圖形曝光系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn) 已經(jīng)可以用縮短光刻機(jī)的波長與發(fā)展新的抗蝕劑來克服 另外 開發(fā)了新的技術(shù) 如相移掩模版 傳統(tǒng)掩模版的透光區(qū)的電場是相同的 由于衍射與分辨率使得晶片上的電場分散開來 相鄰縫隙的衍射使得光被干涉而增強(qiáng)縫隙間的電場強(qiáng)度 因此兩個投影的像若太接近 就不容易分辨出來 相移掩模版 PSM 是將相移層覆蓋于相鄰的縫隙上 使得電場反相 要反相 使用一透明層 厚度滿足 光學(xué)鄰近修正 OPC 利用鄰近的次解析幾何圖案來修正圖像 因而改善成像能力 新一代圖形曝光技術(shù) 高產(chǎn)率 好的分辨率 低成本且容易操作是曝光技術(shù)的基本要求 為了滿足深亞微米工藝 光學(xué)圖形曝光技術(shù)仍未解決 雖然可以利用PSM和OPC來延長光學(xué)圖形曝光的使用期限 但是復(fù)雜的掩模版制作與檢查并不是容易解決的 另外 掩模版成本也很高 電子束圖形曝光 電子束圖形曝光主要用于掩模版的制作 只有相當(dāng)少數(shù)裝置用于將電子束直接對抗蝕劑曝光而不需掩模版 優(yōu)點(diǎn) 可以參數(shù)亞微米的幾何抗蝕劑圖案 高自動化及高精度控制的操作 比光學(xué)圖形曝光有較大的聚焦深度與不同掩模版可直接在半導(dǎo)體晶片上描繪圖案 缺點(diǎn) 電子束光刻機(jī)產(chǎn)率低 在分辨率小于0 25um時 約為每小時10片晶片 這對生產(chǎn)掩模版 需求量小的定制電路或驗(yàn)證性電路是足夠了 而對不用掩模版的直寫形成圖案方式 設(shè)備必須盡可能提供產(chǎn)率 故要采用與器件最小尺寸相容的最大束徑 聚焦電子束掃描主要分成兩種形式 順序掃描 向量掃描 順序掃描 左 和矢量掃描 SCALPEL 利用電子束投影的圖形曝光技術(shù) SCALPEL系統(tǒng) 散射角度限制的投影電子束圖形曝光 此技術(shù)集電子束圖形曝光特有的高分辨率和工藝寬容度 聚焦深度20 30um 傳統(tǒng)為1um 以及高產(chǎn)率 圖12 15 SCALPELwritingstrategy 電子束抗蝕劑 電子束抗蝕劑是一種聚合物 其性質(zhì)與一般光學(xué)用抗蝕劑類似 換言之 通過光照造成抗蝕劑產(chǎn)生化學(xué)或物理變化 這種變化可使抗蝕劑產(chǎn)生圖案 鄰近效應(yīng) 在光學(xué)圖形曝光中 分辨率的好壞是由衍射來決定的 在電子束圖形曝光中 分辨率好壞是由電子散射決定的 當(dāng)電子穿過抗蝕劑與下層的基材時 這些電子將經(jīng)歷碰撞而造成能量損失與路徑的改變 因此入射電子在行進(jìn)中會散開 直到能量完全損失或是因背散射而離開為止 100個能量為20keV的電子在PMMA中的運(yùn)動軌跡模擬 在抗蝕劑與襯底界面間 正向散射與背散射的劑量分布 極遠(yuǎn)紫外光圖形曝光 EUV EUV技術(shù)極有肯成為下一代圖形曝光系統(tǒng)技術(shù) 可將曝光波長延伸到30nm而不會降低產(chǎn)率 因?yàn)镋UV光束很窄 必須利用光束掃描方式將描述電路圖案的掩模版層完全掃描 EUV已經(jīng)證實(shí)可利用波長為13nm的光源 在PMMA抗蝕劑上制作出50nm的圖案 挑戰(zhàn) 所以的材料對EUV光都有強(qiáng)的吸收能力 所以曝光過程必須在真空下進(jìn)行 照相機(jī)必須使用反射透鏡器件 而且必須覆蓋多層的覆蓋層才可以參數(shù)1 4波長的布喇格反射分布 掩模版空片必須覆蓋多層膜 以便在波長為10 14nm得到最大的反射率 X射線圖形曝光 XRL XRL圖形曝光極有潛力繼承光學(xué)圖形曝光來制作100nm的集成電路 當(dāng)利用同步輻射光儲存環(huán)進(jìn)行批量生產(chǎn)時 一般選擇X射線源 它提供一個大的聚光通量 且可輕易容納10 20臺光刻機(jī) XRL是利用類似光學(xué)遮蔽接近式曝光的一種遮蔽式曝光 掩模版為XRL系統(tǒng)中最困難且關(guān)鍵的部分 而且X射線掩模版的制作比光學(xué)掩模版來得復(fù)雜 為了避免X射線在光源與掩模版間被吸收 通常曝光都在氦的環(huán)境下完成 可以利用電子束抗蝕劑來作為X射線抗蝕劑 因?yàn)楫?dāng)X射線被原子吸收 原子會進(jìn)入激發(fā)態(tài)而射出電子 激發(fā)態(tài)原子回到基態(tài)時 會釋放出X射線 此X射線被原子吸收 故此過程一直持續(xù)進(jìn)行 所有這些過程都會造成電子射出 所以抗蝕劑在X射線照射下 就相當(dāng)于被大量的二次電子照射 X射線圖形曝光的幾何效應(yīng) 離子束圖形曝光 離子束圖形曝光比光學(xué) X射線與電子束圖形曝光技術(shù)有更高的分辨率 因?yàn)殡x子有較高的質(zhì)量而且比電子有較小的散射 最主要的應(yīng)用為修補(bǔ)光學(xué)圖形曝光用的掩模版 下圖為60keV的50個氫離子注入PMMA及不同襯底中的電腦模擬軌跡 不同圖形曝光方法的比較 先前討論的圖形曝光方法 都有100nm的或更好分辨率 每種都有其限制 光學(xué)法的衍射現(xiàn)象 電子束的鄰近效應(yīng) X射線的掩模版制作復(fù)雜 EUV的掩模版空片的制作困難 離子束的隨機(jī)空間電荷效應(yīng) 對于IC的制造 多層掩模版是必需的 然而 所有的掩模版層并不需要都用相同的圖形曝光方法 采用混合與配合的方法 可利用每一種圖形曝光工藝的優(yōu)點(diǎn)來改善分辨率與提供產(chǎn)率 根據(jù)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會的設(shè)想 IC制作技術(shù)將在2010年時會達(dá)到50nm 對于每一代新技術(shù) 由于要求更小的特征尺寸與更嚴(yán)格的套準(zhǔn)容差 圖形曝光技術(shù)更成為推動半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵性技術(shù) 各種圖形曝光技術(shù)的比較如下 各種曝光系統(tǒng)的分辨率與硅片產(chǎn)率的關(guān)系 濕法化學(xué)腐蝕 WCE WCE在半導(dǎo)體工藝中廣泛使用 從半導(dǎo)體晶片被切割開始 WCE就用在研磨與拋光上 以獲得平整與無損傷的表面 熱氧化與外延前 化學(xué)清洗去除污染 尤其適合將多晶硅 氧化物 氮化物 金屬與III V族化合物等作整片的腐蝕 WCE包括三種主要步驟 1 反應(yīng)物通過擴(kuò)散方式到達(dá)反應(yīng)表面 2 化學(xué)反應(yīng)在表面發(fā)生 3 反應(yīng)生成物通過擴(kuò)散離開表面 攪動 腐蝕液的溫度都會影響腐蝕速率 IC工藝中 大多數(shù)WCE是將晶片浸入化學(xué)溶液中 或是噴射腐蝕液在晶片表面 腐蝕速率均勻度可用腐蝕速率的百分比均勻度來表示 WCE的基本機(jī)制 硅的腐蝕 對半導(dǎo)體而言 WCE通常是先將表面氧化 然后再將氧化層以化學(xué)反應(yīng)加以溶解 對硅而言 常見的腐蝕劑為硝酸 HNO3 和氫氟酸 HF 水可以作為上述腐蝕劑的稀釋劑 然而醋酸比水要好 它可減緩硝酸的溶解 一些腐蝕劑溶解某些單晶硅晶面的速率比其他晶面快 造成各向異性的腐蝕 原因在晶面的化學(xué)鍵密度不同 在硅的各向異性腐蝕時 使用KOH和異丙醇酒精的混合液 利用二氧化硅當(dāng)掩蔽層 對晶向的硅做各向異性腐蝕 會產(chǎn)生清晰V型溝槽 溝槽的邊緣為 111 晶面 鍥與 100 的表面有54 7 夾角 如果打開的圖案窗足夠大或是腐蝕時間足夠短 則會形成一個U型的溝槽 底部面積的寬度為 或 如果使用的是晶向的硅 實(shí)際上會在溝槽的邊緣得到兩個垂直的面 這兩個面為 111 的晶面 二氧化硅的腐蝕 加入氟化銨 NH4F 是提供緩沖的HF溶液 又稱作緩沖氧化層腐蝕 BOE 加入氟化銨可以控制酸堿度 并且可以補(bǔ)充氟離子的缺乏 可以維持穩(wěn)定的腐蝕效果 二氧化硅也可以利用氣相的HF來腐蝕 在腐蝕亞微米的圖案方面深具潛力 因?yàn)楣に嚾菀卓刂?氮化硅與多晶硅的腐蝕 氮化硅可以在室溫下用高濃度的HF 緩沖HF或沸騰的磷酸溶液腐蝕 由于濃度為85 的磷酸溶液在180 時對二氧化硅的腐蝕非常慢 所以可利用它來作氮化硅相對二氧化硅的選擇性腐蝕 腐蝕多晶硅與腐蝕單晶硅類似 然而多晶硅有較多的晶粒邊界 所以腐蝕速率比較快 未來確保柵極氧化層不被腐蝕 腐蝕溶液通常要加以調(diào)整 摻雜物的濃度和溫度可影響多晶硅的腐蝕速率 鋁腐蝕 鋁和鋁合金的薄通常利用加熱的磷酸 硝酸 醋酸和去離子水來腐蝕 典型的腐蝕劑是含73 的磷酸 4 的硝酸 3 5 的醋酸以及19 5 的去離子水的溶液 溫度控制在30 80 鋁的濕法腐蝕步驟如下 1 硝酸先將鋁氧化為氧化鋁 2 磷酸溶解氧化鋁 鋁的腐蝕速率與腐蝕劑濃度 溫度 晶片的攪動 鋁薄膜內(nèi)的雜質(zhì)或合金類型有關(guān) 介質(zhì)與金屬膜的濕法腐蝕通常是化學(xué)液把整塊材料溶解 然后轉(zhuǎn)變層可溶的鹽類或復(fù)合物 通常薄膜比塊狀材料的腐蝕速率更快 此外 微結(jié)構(gòu)差 內(nèi)建應(yīng)力 變更化學(xué)組成比或光照等 都將使薄膜的腐蝕速率變快 表12 2 砷化鎵的腐蝕 多種砷化鎵的腐蝕已經(jīng)被廣泛研究 然而只有少數(shù)幾種方法是各向同性的腐蝕 這是由于鎵晶面與砷晶面的表面活性迥異 大多數(shù)的腐蝕劑對砷形成拋光的表面 然而對鎵的表面通常會傾向產(chǎn)生晶格缺陷且腐蝕速率較慢 干法刻蝕 在圖案轉(zhuǎn)移的操作過程中 由圖形曝光工藝所形成的抗蝕劑圖案 用來當(dāng)作刻蝕下層材料的掩蔽層 圖a 下層材料多為非晶或多晶系的薄膜 當(dāng)也用WCE時 由于各向同性 垂直與水平方向 產(chǎn)生不需的側(cè)向鉆蝕 圖b 定義各向異性比值 Rl與Rv分別為水平和垂直方向的腐蝕速率 對各向同性而言 R1 Rv Af 0 WCE的缺點(diǎn) 橫向鉆蝕 使得圖案的分辨率降低 實(shí)際上 各向同性腐蝕薄膜的厚度應(yīng)該是預(yù)期分辨率的三分之一或是更小 若分辨率小于薄膜的厚度 就必須使用各向異性腐蝕 在ULSI中 未了從抗蝕劑圖案上得到高準(zhǔn)確度的圖案轉(zhuǎn)移 發(fā)展了干法刻蝕 干法刻蝕 基本等離子體理論 等離子休由完全電離或部分電離的氣體離子 電子及中子組成 當(dāng)足夠強(qiáng)的電場加于氣體使氣休擊擊穿并電離時 就產(chǎn)生等離子體 等離子體由自由電子觸發(fā) 這些自由電于是加負(fù)偏壓的電極的場發(fā)射或由其它方法產(chǎn)生的 自由電子從電場獲得動能 并在氣體內(nèi)的運(yùn)動過程中與氣體分子碰撞而損失能量 這些能量使氣體分子電離 即產(chǎn)生自由電子 這些自由電子又從電場中獲得動能 使上述過程不斷繼續(xù)下去 因此當(dāng)外電壓大于擊穿電壓后 就在整個反應(yīng)腔內(nèi)形成持續(xù)的等離子體 用于干法刻蝕的等離子體內(nèi)的電子濃度比較低 一般為10cm 3至1012cm 3數(shù)量級 在1Torr壓強(qiáng)下 氣體分子濃度比電子濃度大104至I07倍 氣體的平均溫度在50 100 記之間 因此 等離子輔助干法刻蝕是一種低溫工藝過程 刻蝕機(jī)制 等離子體探測與終點(diǎn)的控制 等離子體刻蝕是利用基態(tài)或中性激發(fā)態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng) 將固態(tài)薄膜去除 等離子體刻蝕通常被氣體放電所形成的帶能量離子所增強(qiáng)或引發(fā) 刻蝕機(jī)制 刻蝕工藝包括5個步驟 1 刻蝕過程開始與等離子體刻蝕反應(yīng)物的產(chǎn)生 2 反應(yīng)物通過擴(kuò)散的方式穿過滯留氣體層到達(dá)表面 3 反應(yīng)物被表面吸收 4 通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性化合物 5 化合物離開表面回到等離子體氣流中 接著被抽氣泵抽出 基本刻蝕方式為 物理方式 濺射刻蝕 正離子高速轟擊表面 化學(xué)方式 等離子體產(chǎn)生的中性反應(yīng)物與物質(zhì)表面相互作用產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物 化學(xué)方式有高腐蝕速率 高的選擇比與低的離子轟擊導(dǎo)致的缺陷 但有各向同性的刻蝕輪廓 物理方式可以產(chǎn)生各向同性的輪廓 但伴隨低的選擇比與高的離子轟擊導(dǎo)致的缺陷 將二者結(jié)合 如反應(yīng)離子刻蝕 RIE 等離子體探測 大多數(shù)的等離子體工藝中發(fā)出的射線范圍在紅外光到紫外光之間 一個簡單的縫隙方法是利用光學(xué)發(fā)射光譜儀 OES 來測量這些發(fā)射光譜的強(qiáng)度與波長的關(guān)系 利用觀測到的光譜波峰與已知的發(fā)射光譜比較 通過可以決定出中性或離子物質(zhì)的存在 物質(zhì)相對的密度 也可以通過觀察等離子體參數(shù)改變時光強(qiáng)度的改變而得到 這些由主要刻蝕劑或副產(chǎn)物所引起的發(fā)射信號在刻蝕終點(diǎn)開始上升或下降 終點(diǎn)控制 干法刻蝕與濕法刻蝕的不同在于干法刻蝕對下層材料無法呈現(xiàn)足夠的選擇比 因此 必須配備一個用來探測刻蝕工藝結(jié)束點(diǎn)的監(jiān)視器 即終點(diǎn)探測系統(tǒng) 激光干涉度量法用來持續(xù)控制晶片表面的刻蝕速率與終止點(diǎn) 在刻蝕過程中 從晶片表面反射的激光會來回振蕩 這個振蕩的發(fā)生是因?yàn)榭涛g層界面的上界面與下界面的反射光的相位干涉 因此這一層材料必須透光或半透光才能觀測到振蕩現(xiàn)象 振蕩周期與薄膜厚度的變化關(guān)系為 反應(yīng)等離子體刻蝕技術(shù)與設(shè)備 一個反應(yīng)等離子體刻蝕反應(yīng)器包括一個真空腔 抽氣泵系統(tǒng) 電源供應(yīng)產(chǎn)生器 壓力探測器 流量控制器與終點(diǎn)探測器等 反應(yīng)離子刻蝕 RIE RIE已被廣泛用于微電子工業(yè) 裝置圖如下所示 此刻蝕系統(tǒng)比傳統(tǒng)的 桶裝 刻蝕系統(tǒng)選擇比要低 是由于強(qiáng)烈的物理濺射的關(guān)系 然而 選擇比可以選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)刻蝕來改善 平行板系統(tǒng) 電子回旋共振 ECR 等離子體刻蝕機(jī) 大多數(shù)的等離子體抗蝕機(jī) 除了三極RIE外 都無法提供獨(dú)立控制等離子體參數(shù)的能力 導(dǎo)致轟擊損傷的嚴(yán)重問題 ECR結(jié)合微波電源與靜電場來驅(qū)使電子沿磁場線作一定角頻率的回旋 當(dāng)此頻率等于外加微波頻率時 電子能量與外加磁場產(chǎn)生共振耦合 造成大量的分解與電離 其他高密度等離子體刻蝕機(jī) 由于ULSI的線寬持續(xù)縮小 逼近傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)極限 除了ECR系統(tǒng)外 其他形式的高密度等離子體源 HDP 如電感耦合等離子體源 ICP 變壓器耦合等離子體源 TCP 表面波耦合等離子體源 SWP 也已開始發(fā)展 這些設(shè)備擁有高等離子體密度與低工藝壓強(qiáng) 另外 HDP等離子體源對襯底的損傷較小 因?yàn)橐r底有獨(dú)立的偏壓源與側(cè)電極電勢 并有高的的各向異性 因?yàn)樵诘蛪合鹿ぷ鞯懈呋钚缘牡入x子體密度 然而 由于其復(fù)雜且成本較高 這些系統(tǒng)可能不會使用于非關(guān)鍵性的工藝 如側(cè)壁間隔與平坦化工藝 集成等離子體工藝 半導(dǎo)體晶片都是在潔凈室里加工制作 以減少大氣中的塵埃污染 當(dāng)器件尺寸縮小 塵埃的污染成為一個嚴(yán)重的問題 為了減少塵粒的污染 集成等離子體設(shè)備利用晶片操作機(jī)將晶片置于高真空環(huán)境中從一個反應(yīng)腔移到另一個反應(yīng)腔 同時可以增加產(chǎn)率 反應(yīng)等離子體刻蝕的應(yīng)用 等離子體刻蝕系統(tǒng)已由應(yīng)用于簡單 整批的抗蝕劑剝蝕快速發(fā)展到大的單片晶片加工 下表列舉了不同刻蝕工藝所用到的一些化學(xué)劑 硅溝槽刻蝕 當(dāng)器件尺寸縮小時 晶片表面用作隔離DRAM儲存單元的儲存電容與電路器件間的區(qū)域也會相對減少 這些表面隔離區(qū)域可以利用硅晶片的深溝槽刻蝕 再填入適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)或?qū)w物質(zhì)來減少其所占的面積 深溝槽深度通常超過5um 主要是用于形成存儲電容 淺的溝槽其深度通常不會超過1um 一般用于器件間的隔離 氯基或溴基的化學(xué)劑對硅有高刻蝕速率 且對以二氧化硅為掩蔽層的硅刻蝕有高選擇比 HBr NF3 SF6 O2混合氣可用于形成深度約7um的溝槽電容 此氣體也用于淺溝槽的刻蝕 亞微米的深硅溝槽刻蝕時 ?？捎^測到與高寬比有管的刻蝕 這是因深窄溝槽中的離子與中性原子的輸運(yùn)會受到限制 圖為硅溝槽平均刻蝕速率與高寬比的關(guān)系 多晶硅與多晶硅化物柵極刻蝕 多晶硅與多晶硅化物 即多晶硅上覆蓋有低電阻金屬硅化物 常用作MOS器件的柵極材料 各向異性刻蝕及對柵極氧化層的高選擇比是柵極刻蝕時最重要的需求 例如 對1GDRAM而言 其選擇比需超過150 即多晶硅化物與柵極氧化層的刻蝕速率比為150 1 另外 為符合各向異性刻蝕與高選擇比的要求 等離子體技術(shù)的趨勢是利用一相對低的功率產(chǎn)生低壓與高密度的等離子體 大多數(shù)氯基與溴基化合物可用于柵極刻蝕而得到所需的各向異性與選擇比 介質(zhì)刻蝕 定義介質(zhì)層 尤其是二氧化硅與氮化硅 的圖案是先進(jìn)半導(dǎo)體制造技術(shù)中的關(guān)鍵工藝 因?yàn)榫哂休^高的鍵結(jié)合能量 介質(zhì)的刻蝕必須利用氟基增強(qiáng)等離子體 垂直的圖案輪廓可通過側(cè)壁鈍化來實(shí)現(xiàn) 通常將含碳的氟化物加入等離子體中 CF4 CHF3 C4F8 必須使用轟擊能量較高的離子才能將此聚合物形成的鈍化層從氧化層上去除 以及將反應(yīng)物質(zhì)與氧化物表面混合形成的SiFx的產(chǎn)物 低壓強(qiáng)操作與高等離子體密度有利于高寬比有關(guān)的刻蝕 然而HDP會產(chǎn)生高溫電子并接著產(chǎn)生高比例的分解離子與自由基 它比RIE或是磁性增強(qiáng)RIE產(chǎn)生更多的活性自由基與離子 金屬導(dǎo)線刻蝕 Al IC制作中 金屬層的刻蝕是一個相當(dāng)重要的步驟 鋁 銅與鎢是金屬導(dǎo)線常用的材料 它們通常需要各向異性刻蝕 氟與鋁反應(yīng)產(chǎn)生非揮發(fā)性的AlF3 在1240 時 其蒸汽壓只有1Torr 氯基化學(xué)劑常用于鋁的刻蝕 氯對鋁有極高的化學(xué)刻蝕速率并且在刻蝕時會有橫向鉆蝕現(xiàn)象 將含碳?xì)怏w或是氮?dú)饧尤敕磻?yīng)中 可在側(cè)壁產(chǎn)生鈍化層而得到各向異性刻蝕 暴露于大氣環(huán)境中是鋁刻蝕的另一個問題 Al側(cè)壁上殘留的氯與抗蝕劑容易與常壓下的水氣形成HCl腐蝕鋁 在晶片暴露與大氣前 先臨場通入CF4等離子體 用F取代Cl 然后再通入氧等離子體去除抗蝕劑 緊接著立刻將晶片浸入去離子水中 如此可避免Al的腐蝕 Cu Cu是Al的后起之秀 低的電阻率與高的抗電遷移性能 然而 銅的鹵化物揮發(fā)性較低 室溫下的等離子體刻蝕并不容易 刻蝕銅膜的溫度需高于200 因此 銅的金屬導(dǎo)線制作使用 嵌入式 工藝而不用刻蝕 嵌入式工藝包括 1 平坦的介電層上刻蝕出溝槽或渠道 2 金屬填入溝槽中來作為連線導(dǎo)線 3 化學(xué)機(jī)械拋光 在兩層嵌入式工藝中 牽涉了一系列的洞 接觸孔或通孔 的刻蝕出來并以金屬填入 然后CMP 嵌入式工藝的優(yōu)點(diǎn)是免掉了金屬刻蝕的步驟 而銅刻蝕正是IC工業(yè)從鋁改成銅導(dǎo)線時最擔(dān)心的問題 兩層嵌入式工藝中不同的工藝步驟 抗蝕劑 刻蝕停止層 抗蝕劑 連線 通孔 W LPCVDW已廣泛用于接觸孔填塞與第一層金屬層 這是因?yàn)殒u有完美的淀積均勻覆蓋性 氟基與氯基化合物均可以刻蝕鎢 且生成揮發(fā)性產(chǎn)物 利用鎢全面回蝕得到鎢插栓是鎢刻蝕的一項(xiàng)重要應(yīng)用 SiO2 TiN阻擋層 W AlCu W SiO2 AlCu Thanksforlistening