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（EN IAC，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

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。

等离子体刻蚀过程、原理：

刻蚀反应粒子的产生、输运能量馈入

（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

鞘层

（4）反应粒子在刻蚀槽孔内输运、反应的分解、电离过程

例：CF

4

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+Cl

Si（表面）+2Cl→SiCl2

SiCl2+ 2Cl→SiC l4（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(Chemical en2hanced physical

sputtering)

例如,含氟的等离子体在硅表面形成的SiF x 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 - induced chemical reaction)

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(chemical sputtering)

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

●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 100 to 150

1980 晚期 150 to 200

1990末期 200 to 300

2009 450

原因：提高效率，降低成本

微细化

1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012

0.25 0.18 0.15 0.13 0.1 0.07 0.05

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-loading effect）

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-loading effect)

ARDE(Aspect Ratio Dependent Effect)效应♦ARDE与气压的关系

♦ARDE与气体种类的关系