蚀刻详解

蚀刻详解一、名词定义均匀性（Uniformity）--相对平均值的变化，常在描述蚀刻速率，CD和淀积物厚度时使用。有以下几种百分数表示的数学定义：'d8U7K.u!l#B1y&S(X平均均匀性=[(Max-Min)÷(2×AVG)]×100%中值均匀性=[(Max-min)÷(Max＋Min)]×100%3sigma均匀性=(3×STD)÷AVG×100%选择比(Selectivity)–不同材料蚀刻速率的比值。中止层(Stoppinglayer)–停止层，通常通过终点控制。$Y*k$P;J0_{2i3R(b$[剖面形貌(Profile)–器件结构横截面的形状和倾斜度。条宽损失(Etchbias)过蚀刻(Overetch)–在平均膜厚完全蚀刻掉以后的额外蚀刻。补偿蚀刻速率和膜厚的不均匀性。残留物(Residues)–在蚀刻和平版印刷过程中无意留下的物质。微掩膜（Micro-masking）--由于微粒，薄膜掺杂以及残留物产生的无意留下的掩膜。糊胶（Resistreticulation）--温度超过150摄氏度时光刻胶产生的燃烧和折皱。纵横比（Aspectratio）--器件结构横截面深度和宽度的比率。5?B$p,c;I-O(V(N5u,L,Y负载（Loading）--蚀刻速率依赖于可蚀刻表面数量，可在宏观或微观尺寸下。纵横比决定蚀刻（AspectRatioDependentEtching/ARDE）--蚀刻速率决定于纵横比。终点（Endpoint）--在一个蚀刻过程中，平均膜厚被蚀刻干净时的时间点。;e'O&E6W(hm-J._0b光刻胶（Photo-resist）--作为掩膜用来图形转移的光敏材料。!L:J4@8w(u&l分辨率（Resolution）--用于测试光学系统把相邻的目标形成分离图像的能力。,l${(?){8`yV焦深(Depthoffocus)–在焦平面上目标能形成影像的纵向距。+}8g,J8^:M+]:g2_关键尺寸（Criticaldimensions-CD）--一个最小特征图形的绝对尺寸，包括线宽、间隙、或者关联尺寸。去边（Edgebeadremoval-EBR）--去胶边的过程，通常在涂胶后将溶剂喷在硅片的背面或前边沿上。1[#[6Ck;]'c;|;C-A前烘（Soft-bake）--在涂胶后用来去除胶溶剂的温度步骤。!x:}/?7V)b曝光（Exposure）--把涂胶后的硅片，暴露在某种形式的射线下，以在胶上产生隐约的图像的步骤。PEB(Post-exposure-bake)—曝光以后消除胶里的由衬底反射引起的胶里的驻波的温度步骤。&\&R&_9ax.X显影（Development）--在曝光以后分解胶产生掩膜图案的过程。后烘(Hard-bake)—用来去除残留溶剂，增加胶的沾着力和耐腐能力，在显影后完成，可以包括DUV固胶。-b4m\5P5^;Q'R$F.v2~化学蚀刻（Chemicaletching）--根据化学反应机理，气态物质（中性原子团）与表面反应，产物必定易挥发，也称为等离子蚀刻。.B2K&r3o;R0N等离子增强蚀刻(Ion-enhancedetching)—单独使用中性原子团不能形成易挥发产物，具有一定能量的离子改变衬底或产物；具有一定能量的离子改变衬底或产物层，这样，化学反应以后能生成挥发性物质，亦称为反应离子蚀刻（RIE）。溅射蚀刻（Sputteretching）--具有一定能量的离子机械的溅射衬底材料。蚀刻速率（Etchrate）--材料的剥离速率，通常以?/min，?/sec，nm/min,um/min为单位计量。7j&Y(~/F9k.k2y.p*B!X各向同性蚀刻（Isotropicetch）--蚀刻速率在所有方向都是相同的。各向异性蚀刻（Anisotropicetch）--蚀刻速率随方向而不等。!L&A6y3t2x9Pk'J)U.N6o4{|#d二、Clamping和拱形电极1.Clamping：目的3U+o3]%N'|为什么夹紧硅片？通过提高硅片到下电极的热量交换来控制硅片温度。$h1G7C8o1y;Y7F$e2.Clamping：clamp设计用弹簧把硅片压至下电极。通过高压氦气（8~14Torr）喷入到硅片和下电极之间，从硅片传导热量。热量传导同氦气压力成正比，和硅片--下电极间距成正比。下电极凹槽确保氦气的均匀扩散。$b2r,C'a9h'`,n'd/c氦气压力由UPC自动控制（压力控制单元）。.E/G&M:n/^0K3.为什么使用氦气？!m(s6p2b(l1_$~氦气是惰性的，她具有很高的导热性。)K4c!I'n2r(~4.Clamp所用的材料a.陶瓷（氧化铝）--Ceramic（Alumina）陶瓷是使用最普遍的一种材料，它很耐用、易加工，不会严重沾污硅片。它在处理不当时极易破碎，所以在接触硅片表面时，被认为不如一些聚合物材料理想。b.阳极氧化铝（HardanodizedAluminum）-A-u[*uk)W5c$L#]早期clamp材料用于Rainbow，它不如陶瓷耐用，在耗尽层阳极氧化处理后，通过溅射会沾污硅片。c.VESPEL（Insert）迄今为止，大多数对于VESPELclamp的尝试都不令人满意，VESPEL在某些工艺条件下会变热和变形。3hc8x#O#M2x;J:K5.Clamping：氦气冷却设计1T%m;K8m4Da.开环氦气+T.[9u)Q)|*o:P不可自动调整't6A)J;^;]3{E2[控制或了解硅片--电极间隙的压力很困难b.闭环氦气控制/U-e&j1T*w自动控制压力（UPC）*g)W$i!EI较好的工艺控制，在加工过程中能够确定clamp流速，在压力控制需要很低流量时，UPC难以稳定。c.半闭环氦气控制自动压力控制(|0~%i)P3o:M1d5wclamp流速在加工期间不能被精确测知6U*D!b;H%t.]/X2rUPC稳定性在高流速下大为提高6.Clamping:clamp的特性*Y`+^p2e*I#J'|!C3T3r)NClamp的印痕.X@*v9vy(g%`理想的clamp会在加工过程中在硅片上留下同心圆印痕。3@$R5N$Z5B'j9X2S2D同心圆印痕的要求：9TP*k7j7_:M硅片对中性良好9o't8|7p+f!M,w:C3yclamp尺寸合适)h'Y'K8Y4q差的clamp印痕常常伴随着差的蚀刻速率均匀性或者产生糊胶。通常，反应室关闭后clamp应当定中心，这是在反应室内无硅片的情况下抽真空后通过多次改变上、下电极的间距来完成的。$P*l&?8P!L9n#d2h8P7.Clamp漏率/clamp流量;K+_4[!?3f7I7a-C8ZClamp漏率与多种工艺问题有关，对六英寸闭环配置的有些情况已经被确定下来了。当有问题时，凭经验对多晶和二氧化硅系统在设定为13T的工艺时，流量应当小于10sccm，这相当于1000~1500mT/min的漏率。8r7E'E'T5{.h9R当clamp漏率的影响和一些工艺参数被确定，许多时候clamp都被怀疑有问题，但是又得不到证明。所有的高clamp漏率并不说明clamp有问题。Edge（硅片边缘），下电极，硅片对中和硅片的不同都影响clamp的漏率。*E&a$e0?:H4G2m8.Clamp降压加工后氦气冷却区域必须在clamp升起前降压。在4500或者配有低于室温电极的反应室内，clamp只有在排除反应室内剩余蚀刻气体后才能从硅片上升起。否则，聚合物会沉积在下电极，最后影响工艺。9.clamp相关的问题0GD*^7A4V#f增加工艺复杂性+y4Y(D6v(x;n-_增加硬件复杂性Clamping的不可重复性：Clamp印痕伴随着工艺逐渐漂移%X2~1x/|2I2N7GClamp与clamp的不同造成漏率变化9z1C:J*@2h!E硅片温度的不均匀性，难以得到均匀的蚀刻形貌1L,R,z,W$o5];D6a)Z/nClamp边蚕食硅片可用区域Clamp造成工艺硬件与硅片表面接触。(a![1r%K7S6L10.拱形电极：目的为什么采用拱形电极:&g4B-J8L3P8}5`2M减少下电极与硅片间距的变化。8p)r5z$j0T由于氦气压力会压弯硅片，所以硅片中心的问题（硅片与下电极大于硅片边缘，这导致关键的等离子参数不均匀），把电极做成拱形的，可以使变化减到最小。提供均匀的硅片温度控制。11.拱形电极：发展a.平坦的不作阳极处理的电极)v0A6H&\7V2k3m.t$BKapton（卡普顿〈聚酰亚胺薄膜〉）难以应用7a*v8F;{%f中心--边蚀刻剖面不均匀1U)Y0z*H'D:F0Yb.平坦的HAA电极中心--边蚀刻剖面不均匀对聚合物淀积敏感$`)r3[7P'v'c4vc.拱形KaptonKapton难以应用最佳拱高难以达到对糊胶敏感d.拱形HAA'M)D9I8o.A%R.f#F最佳拱高难以达到对糊胶敏感对聚合物淀积敏感e.拱形—刻槽HAA最佳拱高通过预先设计的实验达到糊胶大大排除对聚合物沉积敏感!q0p+a#b#q0Q0z5y三、SIO2特性;z%~4i)w2o:a1.SIO2描述2{8B,G3T!W+D9m+XItemDescription分子描述二氧化硅是由一个硅原子与两个氧原子共价结合而成。8H.],d:q7T$B9g-^%M+_电阻率二氧化硅是绝缘体，它的典型电阻率是1024~1016Ω/cm，与之相对应铝的电阻率是3×10-6Ω/cm，硅的电阻率是10-2~10-4Ω/cm。自然种类二氧化硅的自然形式有石英、沙、或者暴露在大气中的硅表面上的薄天然氧化层。理解二氧化硅薄膜是可预知的、可重复制造的和可理解的。在硅片上生产SIO2薄膜的技术是可以实现的，能够精确控制膜厚、密度和深入理解Si/SIO2分界面。4u&C#H8x$l*f%A7t0_)c-?&U/V2.二氧化硅在VLSI中的应用:S'Q%C'_5H:o;nItemDescriptionGateOxide$?5_-r3R7w-u栅二氧化硅薄绝缘层（~150?），热生长二氧化硅分隔MOS晶体管中的源漏沟道和（多晶硅）栅。*B4q!Z;x9cFieldOxide场二氧化硅厚（~4000?）热生长二氧化硅常用来确定和隔离硅片的有源区。{1M'd:l6t0a6_SpacerOxide侧墙二氧化硅厚CVD二氧化硅常用来确定MOS沟道的宽度和减少热载流子效应&[$N0b${%B)N5?,lInterlevelDielectric)T7S_8@1n4`#`)t7L9l金属间绝缘介质厚（~7500?）CVD二氧化硅（BPSG或TEOS），常用来绝缘衬底和金属化层。-U1b&g/c/S3o%p,}R!pPassivationOxide钝化二氧化硅厚CVD二氧化硅，常作为金属间绝缘介质分隔金属线，确定压焊孔。D1g.q3Y&[/v4H:mPlanarizationOxide3p#B#x8a&e(Q3Xc平坦化二氧化硅二氧化硅层，用于降低由于多层布线造成的表面高低不平的形貌。*S(j:K#M1Qd6C4g*m*~!~#\3{&c:b/E3U4a+a-w!\3t7{5l@3i#x4F'{(M3.Oxide制造ItemProductPurposecharacteristicTOX硅暴露在高温（~1100℃）氧化蒸气（H2O或O2）中，氧气与硅反应生成SIO2表面层，SIO2的厚度由温度和时间精确控制。HTO质量最高，通常用在栅氧和场氧层次。TOX是最稳定、纯净和均匀的二氧化硅（便宜），FAB通常收集热二氧化硅的SPC和均匀性数据，热二氧化硅是蚀刻的最慢的氧化物。9b0t0}3k5a3kHTO在约900℃下氧化物LPCVD（低压CVD）形成。反应式：$v:X!t(n4x7j7v&ASiH2Cl2+2N2O→SIO2+2N2+2HClHTO薄膜的优点是薄膜质量高（相似于TOX），同时均匀性极好。缺点是高的淀积温度可能造成下层薄膜出问题及衬底掺杂区杂质扩散。通常，HTO常用作第一层绝缘材料（接触孔蚀刻）或spacers蚀刻。蚀刻速率略大