等离子体刻蚀

等离子体刻蚀集成电路的发展1958年：第一个锗集成电路1961年：集成8个元件目前：集成20亿个元件对比：第一台计算机（ENIAC，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：特征长度随时间的下降：集成电路制造与等离子体刻蚀集成电路本质：微小晶体管，MOS场效应管的集成微小晶体管，MOS场的制作：硅片上微结构制作----槽、孔早期工艺：化学液体腐蚀----湿法工艺5微米以上缺点:(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）(d)环境污染预腐蚀区域抗腐蚀掩膜实际腐蚀区域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。(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plasma(e)去除光胶（灰化）等离子体刻蚀工艺流程等离子体刻蚀过程、原理：能量馈入（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刻蚀反应粒子的产生、输运鞘层（4）反应粒子在刻蚀槽孔内输运、反应例：CF4的分解、电离过程刻蚀三个阶段(1)刻蚀物质的吸附、反应(2)挥发性产物的形成;(3)产物的脱附,氯等离子体刻蚀硅反应过程Cl2Cl+ClSi（表面）2ClSiCl2SiCl22ClSiCl4（why）CF4等离子体刻蚀SiO2反应过程离子轰击作用三种主要作用（1）化学增强物理溅射(Chemicalen2hancedphysicalsputtering)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-inducedchemicalreaction)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(chemicalsputtering)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鞘层（1）带电粒子通过鞘层加速被准直等离子体区（2）反应气体在侧壁沉积形成抗刻蚀钝化层C4F8离解CxFy表面聚合(CxFy)n-----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（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100to1501980晚期150to2001990末期200to3002009450原因：提高效率，降低成本微细化19971999200120032006200920120.250.180.150.130.10.070.05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☼等离子体刻蚀中的各种效应、影响（1）宏观负载效应（macro-loadingeffect）刻蚀速率(nm/s)刻蚀面积（cm2）原因：♦单位时间到达单位刻蚀面的反应粒子数量大于反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于反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-loadingeffect)ARDE(AspectRatioDependentEffect)效应♦ARDE与气压的关系♦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，提高离子流方向性（提高偏置电压）（3）微结构电荷积累（chargebuilt-up）效应♦电荷积累损伤?刻蚀面积（cm2）♦微区差分带电效应----Localnotching（4）不同刻蚀气体的影响（a）CF4，C2F6，C3F8，C4F10CF4，C2F6，C3F8，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Si—O链。来自Si—O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SiO2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(2nm～7nm)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的刻蚀速率大大下降。指导结论(1)：,当等离子体中的F∶C比率较高(≥4)时,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(4)时,就会取得较高的SiO2/Si刻蚀选择比-----如选用CHF3、C2F6和C3F8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）反应（刻蚀）速率（5）不同添加刻蚀气体的作用♦CF4中加O2的作用CF4等离子体中掺入O2后能提高Si和SiO2的刻蚀速率原因：O2促进刻蚀反应粒子的产生复合（聚合）反应被抑制例：CF4/O2等离子体刻蚀Si.♦C4F8中加H2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H2降低了F原子的浓度，增加了聚合物沉积。CHF3,CH2F2和CH3F有相同的效果.♦刻蚀气体中加入加氩气、氦气解释：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EEDF向高能推移氩提高电子密度，提高2CFionnn----（原因?）氦主要提高反应气体离解率，离解程度。（原因?）(6）基片温度对刻蚀的影响对刻蚀速率（Si）的影响对侧壁刻蚀速率的影响对沉积速率的影响图片例子：基片温度—00C(SF6刻蚀Si)基片温度—-1000C(SF6刻蚀Si)附：两类刻蚀对应的分类：Plasmaetching(PE)Reactiveionetching(RIE)不同种类离子与Si表面的作用（7）刻蚀装置壁温度的影响装置壁温度随放电时间的变化装置壁温度对刻蚀速率的影响刻蚀速率随放电时间的变化原因：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,SiNx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,SiNx的刻蚀速率下降。SiO2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。（8）放电气压对旁刻速率的影响（9）基片偏置对各向异性刻蚀的影响偏置大小400W500W600W700W偏置频率频率对自偏压大小的影响frequencyDCselfbias偏置频率对刻蚀速率的影响原因：（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。高频偏置时，负离子不能得到利用。偏置频率对ARDE的影响（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尘埃照片图不同放电条件的单片细节图通常的尘埃空间分布图基片的降落尘埃的SEM照片刻蚀等离子体尘埃的集结（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PlasmaPotentialT(s)OnOff脉冲放电对刻蚀速率的影响----提高polySi对SiO2刻蚀选择率的方法脉冲放电电荷积累、notching的影响铜线工艺电路特征长度增加的结果：(a)互连线导线电阻R增加(原因？)(b)导线间杂散电容C增大(原因？)-------互连线的延迟时间RC增加解决方法：（1）降低R-----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的挥发率低，虽然在高于200oC的温度下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）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Reinberg1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刻蚀源装置图专利：D.Cheng,D.Maydan,S.Somekh,K.R.Stalder,D.L.Andrews,M.Chang,J.M.White,J.Y.Wong,V.J.Zeitlin,andD.N.Wang,U.S.PatentNo.5,215,619.AppliedMaterials公司刻蚀速率、自偏压随磁场强度的变化问题及解决：基片旋转磁场旋转（类似电动机工作方式）(3)换代型低气压、高密度刻蚀源ECRICPHeliconSWP国际半导体刻蚀设备市场的主流机型：ICP微波等离子技术的历史（1949年）早于rfCCP1950年有DC磁场增强微波放电的报道Hittorf1184研究rf感性放电,被公认为最早。1929年大气压rfinductive放电成为使用工具加热壁.J.Givens,S.Geissler,J.Lee,O.Cain,J.Marks,P.Keswick,andC.Cunningham,J.Vac.Sci.Technol.B12,427（1994）