刻蚀率

等离子体系统的刻蚀率由一系列因素来决定。系统设计和化学品是其中两个因素

离子
其他的因素是离子浓度和系统压力。离子浓度(离子/立方厘米)是供给电极电能的一个函数。提高功率会产生更多离子从而又会提高刻蚀率。离子密度与增加化学刻蚀液体的浓度相似。离子密度在3×10的十次方到3×10的12次放的范围内。系统压力通过称为平均自由程的现象,以影响刻蚀率和一致性。这是一个气体原子或分子在碰撞到另一个微粒前经过的平均距离。在压力更高时,会发生很多碰撞,使微粒以各种方向运动,因而导致边缘轮廓失去控制。低压较为理想,但是要权衡在下面解释到的等离子体损伤。典型的系统压力在0.4-50mtorr的范围内。刻蚀率从600-2000Å/min。

 

辐射损伤

 

较高密度和低压力好像是受欢迎的系统设计。然而,消极的一面是对晶圆的辐射(radiation)或等离子体(plasma)的损伤。在等离子体场中有受激发的原子、原子团、离子、电子和光子“。根据这些粒子的浓度与能量级别不同而导致对半导体的各种损伤。损害包括表面泄漏,电参数的变化,膜的退化(特别是氧化层)和对硅的损害。有两种损伤机理。一种是简单地、过度地暴露于高浓度

的等离子体中。另一种是由于在刻蚀循环中电流流过介质而导致的介质破损。

电流

更高密度的等离子体源还对光刻胶的去除带来一个问题。能量与低压力的结合使光刻胶趋于变硬到用传统的工艺难以去除的程度(参见“光刻胶的去除”一节)。系统设计人员正在研究具有高密度,低能量离子(以降低损伤)和低压力的等离子体。除了平衡离子密度/压力参数外,下游等离子体(downstreamplasma)源工艺是一个减少等离子体掼伤的选择。可造成损伤的粒子来源于等离子体源产生的高能气体。下游等离子体源系统在一个反应室产生等离子体,而后将其传输到下游的晶圆。品圆与可造成损伤的等离子体被分隔开来。为了将损害减小到最低,系统必须可区分等离子体放电、离子的复合以及电子密度的减小”。下游等离子体源系统被发展成为在光刻胶去除时可使等离子体损害减到最小。虽然它使刻蚀系统变得更为复杂,但它在刻蚀中的应用正受到关注。

反应室

选择性

 

选择性是等离子体刻蚀工艺的一个主要的考虑事项,特别是当需要进行平衡过刻蚀时。理想地,刻蚀时间可以通过要预计去除的膜厚度加上一点,以确保安全的过刻蚀时间来计算。遗憾的是,累计厚度和在高密度器件中多层膜组成物的变化提出了刻蚀一致性问题。另外对于高密度器件,一个称为微负载的现象会引人刻蚀率的变化。微负载是相对于被刻蚀材料区域的本区域刻蚀率的变化。一个大的区域会以去掉的材料加载于刻蚀过程,以减缓刻蚀速度,而小区域则会以较快的刻蚀率进行。形貌问题也会要求对过刻蚀的考虑。典型的情况是在器件/电路中薄区域与厚区域上的接触孔开口(参见图10.13)。这些因素对于金属刻蚀会导致50%、80%的过刻蚀,对于氧化物和多晶硅刻蚀会高达成200%。

多晶硅

过刻蚀使得选择性的问题变得非常关键。这里有两个要考虑的因素:光刻胶和其下层膜(通常是硅或氮化硅)。干法刻蚀较湿法刻蚀工艺对光刻胶有更高的去除率。更薄的膜用于小尺寸图形并在多层叠加膜中使用,使得光刻胶的选择性变得十分关键。混合选择性问题是高深宽比的图形。先进的器件有达到4:1的深宽比的图形。孔与其高度相比非常窄,以至于刻蚀在接近孔的底部会减慢或停止。

用于控制选择性的4种方法是刻蚀气体配比的选择、刻蚀率、接近工艺结束时的气体稀释来减缓对下层的刻蚀、在系统中使用终点探测器。

激光干涉仪

顶层膜已经被去除时,要求系统内置终点检测器终止刻蚀。典型的是使用激光干涉仪。随着刻蚀进程,一束激光在晶圆表面被反射。以一个振荡的模式返回到探测器,它随被刻蚀的材料的种类而变。终点探测器对在尾气流存在的刻蚀层材料敏感,并在探测不到被刻蚀材料时自动发出信号来结束刻蚀。

污染,残余物,腐蚀,以及拥有成本(C00):其他要关注的工艺问题还有:尤其在亚微米的范围内,微粒的产生、残留物、刻蚀后腐蚀和拥有成本因素。一个减少微粒的尝试是以静电吸附品圆固定器取代机械式固定器。机械式固定器产生微粒并可导致晶圆碎裂,并且夹持器会遮挡住部分晶圆的表面。静电吸附固定器以晶圆与固定器间的直流(dc)电势来固定晶圆。

等离子体刻蚀环境中有许多剧烈的化学反应,光刻胶中的氢氧基团与卤化物气体发生反应,以形成稳定的金属卤化物(如AIF3、WF5、WF6)和氧化物,例如Ti03、TiO和/或W02。这些残留物产生污染问题,并影响有选择性的钨淀积。

卤化物

刻蚀后腐蚀是由一些刻蚀后留在金属图形上的残余物引起的。铝中的铜添加物和钛/钨金属化的使用增加了刻蚀后因残留氯化物而引起的腐蚀问题。将这些问题减到最小,包括以氯基刻蚀剂替代氟基的刻蚀剂,钝化侧壁和刻蚀后工艺,如去除残留氯化物或使用氧化来钝化表面。其他的解决方案包括氧气等离子体处理,发烟硝酸和湿法光刻胶去除工艺步骤。

对于刻蚀机,一个主要的COO参数是刻蚀率。

铝刻蚀一般使用氯基的气体,如BC13。

 

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