图形刻蚀技术
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第八章光刻与刻蚀工艺模板光刻与刻蚀工艺是现代集成电路制造中的重要工艺环节之一、光刻技术用于在硅片上制作电路图形,而刻蚀技术则用于去除不需要的材料,以形成所需的电路结构。
本章将介绍光刻与刻蚀工艺的基本原理及常见的工艺模板。
一、光刻工艺模板在光刻工艺中,需要使用光刻胶作为图形保护层,以及光罩作为图形的模板。
光刻模板通常由硅片或光刻胶制成,可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板是一种常见的光刻工艺模板,它的制作过程相对简单。
首先,将一块纯净的硅片进行氧化处理,形成硅的氧化层。
然后,在氧化层上通过光刻技术制作所需的图形。
最后,使用化学刻蚀方法去除不需要的硅的氧化层,就可以得到所需的硅片模板。
硅片模板具有较好的精度和可靠性,能够满足微纳加工的要求。
然而,硅片模板制作过程复杂,成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板是利用光刻胶作为模板材料的一种工艺模板。
光刻胶是一种感光性的聚合物材料,可以在光照的作用下发生化学反应。
在光刻工艺中,首先将光刻胶涂覆在硅片上,然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
接下来,使用化学方法或溶剂去除不需要的光刻胶,就可以得到所需的光刻胶模板。
光刻胶模板制作过程简单,成本较低。
同时,光刻胶模板的精度较高,可以满足微纳加工的要求。
然而,光刻胶模板的使用寿命较短,通常只能使用几次。
在刻蚀工艺中,需要使用刻蚀胶作为图形保护层,以及刻蚀模板作为图形的模板。
刻蚀模板通常由硅片或光刻胶制成,可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先,在硅片上通过光刻技术制作所需的图形,然后使用化学刻蚀方法去除不需要的硅材料,就可以得到所需的刻蚀模板。
硅片模板具有较高的精度和可靠性,可以满足微纳加工的要求。
然而,硅片模板制作过程复杂,成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先,将光刻胶涂覆在硅片上,然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
1.负载效应等离子体图形化刻蚀过程中,刻蚀图形将影响刻蚀速率和刻蚀轮廓,称为负载效应。
负载效应有两种:宏观负载效应和微观负载效应。
宏观负载效应具有较大开口面积的晶圆刻蚀速率与较小开口面积的晶圆刻蚀速率不同,这种晶圆对晶圆的刻蚀速率差异就是宏观负载效应,这主要影响批量刻蚀,但对单片晶圆影响不大。
微观负载效应对于接触窗和金属层间接触窗孔的刻蚀,较小窗孔的刻蚀速率比大窗孔慢。
这就是微观负载效应(见下图(a)),产生该效应的原因是刻蚀等离子体气体难以穿过较小的窗孔,而且刻蚀的副产品也难以扩散出去。
减少工艺压力可以降低微观负载效应。
当压力较低时,平均自由程较长,刻蚀气体较易穿过微小的窗孔而接触到要被刻蚀的薄膜,从而比较容易从微小的窗孔中把刻蚀副产品去除。
由于光刻胶会溅镀沉积在侧壁上,所以图形隔离区域的刻蚀轮廓比密集区域宽,这是由于隔离图形区域缺少由邻近图形散射离子造成的侧壁离子轰击。
下图(b)说明了微观负载效应轮廓。
2.过刻蚀效应当刻蚀薄膜时(包括多晶硅、电介质以及金属刻蚀),晶圆内的刻蚀速率和薄膜厚度并不完全均匀。
因此当大部分薄膜被刻蚀移除后,留下的少部分薄膜必须移除。
移除剩余薄膜的过程称为过刻蚀,过刻蚀前的过程称为主刻蚀。
在过刻蚀中,被刻蚀薄膜和衬底材料之间的选择性要足够高才能避免损失过多的衬底材料。
在主刻蚀中,如果主刻蚀与过刻蚀使用不同的刻蚀条件,则能够改善过刻蚀中被刻薄膜和衬底材料之间的选择性,等离子体刻蚀中的光学终点侦测器可以自动停止主刻蚀而引发过刻蚀,这是因为当主刻蚀中的刻蚀剂开始刻蚀衬底薄膜时,等离子体中的成分就会发生变化。
如在多晶硅栅刻蚀中(见下图),主刻蚀不需要考虑二氧化硅的选择性。
当某些区域的多晶硅被刻蚀时,氯等离子体开始刻蚀二氧化硅,氧的辐射信号强度就会增强,从而发出一个停止主刻蚀而切换到过刻蚀的信号。
下图说明了主刻蚀和过刻蚀过程。
问题:对于一个IC芯片,多晶硅的厚度为3000A,薄膜的非均匀性为1.5%。
第二章干法刻蚀的介绍2. 1刻蚀、干法刻蚀和湿法腐蚀2. 1 .1关于刻蚀刻蚀,是指用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。
刻蚀的基本目的,是在涂胶(或有掩膜)的硅片上正确的复制出掩膜图形[1]。
刻蚀,通常是在光刻工艺之后进行。
我们通常通过刻蚀,在光刻工艺之后,将想要的图形留在硅片上。
从这一角度而言,刻蚀可以被称之为最终的和最主要的图形转移工艺步骤。
在通常的刻蚀过程中,有图形的光刻胶层〔或掩膜层)将不受到腐蚀源显著的侵蚀或刻蚀,可作为掩蔽膜,保护硅片上的部分特殊区域,而未被光刻胶保护的区域,则被选择性的刻蚀掉。
2.1.2干法刻蚀与湿法刻蚀在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺:干法刻蚀和湿法腐蚀。
干法刻蚀,是利用气态中产生的等离子体,通过经光刻而开出的掩蔽层窗口,与暴露于等离子体中的硅片行物理和化学反应,刻蚀掉硅片上暴露的表面材料的一种工艺技术法[1]。
该工艺技术的突出优点在于,可以获得极其精确的特征图形。
超大规模集成电路的发展,要求微细化加工工艺能够严格的控制加工尺寸,要求在硅片上完成极其精确的图形转移。
任何偏离工艺要求的图形或尺寸,都可能直接影响产品性能或品质,给生产带来无法弥补的损害。
由于干法刻蚀技术在图形轶移上的突出表现,己成为亚微米尺寸下器件刻蚀的最主要工艺方法。
在特征图形的制作上,已基本取代了湿法腐蚀技术。
对于湿法腐蚀,就是用液体化学试剂(如酸、碱和溶剂等)以化学的方式去除硅片表面的材料。
当然,在通过湿法腐蚀获得特征图形时,也要通过经光刻开出的掩膜层窗口,腐蚀掉露出的表面材料。
但从控制图形形状和尺寸的准确性角度而言,在形成特征图形方面,湿法腐蚀一般只被用于尺寸较大的情况(大于3微米)。
由于这一特点,湿法腐蚀远远没有干法刻蚀的应用广泛。
但由于它的高选择比和批量制作模式,湿法腐蚀仍被广泛应用在腐蚀层间膜、去除干法刻蚀残留物和颗粒等工艺步骤中。
2. 2干法刻蚀的原理2. 2. 1干法刻蚀中的等离子体干法刻蚀工艺是利用气体中阴阳粒子解离后的等离子体来进行刻蚀的。
图形化衬底(PSS)刻蚀设备工艺研究进展时间:2012-02-28 浏览779次【字体:大中小】蓝宝石晶片目前广泛用作III-V族LED器件氮化物外延薄膜的衬底,然而由于氮化物和蓝宝石大的晶格失配和热膨胀系数的差别,使得在衬底上生长的氮化物材料位错和缺陷密度较大,影响了器件的发光效率和寿命。
图形化衬底(PSS)技术可以有效地减少外延材料的位错和缺陷,在氮化物器件制备中得到了广泛的应用。
但是由于蓝宝石具有稳定的化学和物理性质,使得很难进行刻蚀和图形化制作。
本文采用由北方微电子公司开发的EL EDE™330高密度等离子体ICP刻蚀机对PSS刻蚀工艺进行了研究,通过对刻蚀速率、选择比以及不同图形的刻蚀分析,取得了比较满意的工艺结果。
一、简介PSS(Patterned Sapphire Substrate),也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜,用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形,利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石,并去掉掩膜,再在其上生长GaN材料,使GaN材料的纵向外延变为横向外延。
一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度,从而减小有源区的非辐射复合,减小反向漏电流,提高LED的寿命;另一方面有源区发出的光,经GaN和蓝宝石衬底界面多次散射,改变了全反射光的出射角,增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率,从而提高了光的提取效率。
综合这两方面的原因,使PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED大大提高,同时反向漏电流减小,LED的寿命也得到了延长。
随着LED领域工艺技术的发展,以及整个LED行业的迅速壮大,对GaN基LED器件PSS衬底的研究也逐渐增多。
如今各厂家纷纷采用PSS技术,以提高LED器件的光提取效率。
PSS的图形种类也较多,目前使用比较普遍的一种形貌类似圆锥形的图形,图形周期约为3μm,高度约为1.5μm。
本文主要针对这种图形做了一些刻蚀工艺研究,并根据刻蚀研究结果进行趋势性分析,同时也得到了一些其他图形的刻蚀结果。
第7章:图形刻蚀技术(Chapter 11)•问题:-常见的刻蚀对象:SiO 2> Si 3N 4> Poly-Si>磷 硅玻璃、铝或铝合金、衬底材料等-即:金属刻蚀、介质刻蚀、硅(半导体)刻 蚀Photoresist Photoresistmask maskFilm ProtectedfilmPhotoresistmask to be etchedFilm to beetched (b) Substrate after etch(a) Photoresist-patterned substrateResistLayer to be etched SubsUateReactive Ion plasma sictiing (RlE)图4-21不同腐蚀工艺的结果:〈左面}湿法腐蚀(髙各向同性〉、 C 中间)干法刻曲方向性}和佑恥干法刻述(爲方向性)I high pressure \^low pressureWet etchingAisohrpic(dq^endungcnequipTErt &ponjnrlers) T^perfEteh SdeMallHxtile WtEtdiIsctn ic(c^endh^cnequipTErt &pEranrters)SliccnTtendiEtch Bias、Undercut、Slope and OveretchW b| H一Wa—丨f ◄—Bias;Resist :FilmSubstrateUndercutMaskChrome<-Lithographybias ArrayFigure 11.1 Typical isotropic etch process showing the etchbias.选择比:sE尸被刻蚀材料的刻蚀速率E产掩蔽层材料的刻蚀速率E rE rNitride•对刻蚀的基本要求:-图形的咼保真:横向腐蚀和各向异性腐蚀-刻蚀剖面:-选择比:光刻胶和不同材料的腐蚀速度-关键尺寸(CD)控制-均匀性:小线条和大硅片-清洁:残渣沾污-损伤:• 7.1.湿法腐蚀:即,化学腐蚀(S11.1) -8.1.1腐蚀液:-SiO2:HF:NH4F:H2O=3毫升:6克:10毫升(36° C)-Al:H2PO4> 70-80 ° C、乙醇稀释-Si3N4:H2PO4>H2PO4: HNO3=3: 1 ( SiC>2膜) HF (Cr膜)-其它定向腐蚀(P265~263)etching in KOH, isopropyl alcohol, and water. The upper photo shows a 50-mm-deep etch. The lower photographs are of 80-mm-deep trenches etched at 10 mm pitch on (110) and 107 off (110) (ctfter Bean, ©1978 IEEE).盒-7.1.2刻蚀中的质量问题:-图形畸变:曝光时间、显影时间、刻蚀速度-浮胶:粘附、前烘时间、曝光时间、显影时间、刻蚀速度、腐蚀液-毛刺和钻蚀:清洁、显影时间、腐蚀液-针孔:膜厚不足、曝光不足、清洁、掩膜版-小岛:曝光、清洁、湿法显影、掩膜版-湿法腐蚀工艺的特点:速度快,成本底,精度不高。
•7.2.干法腐蚀:即,等离子刻蚀• Section 11.3 (重点阅读)-7.2.1.原理和特点:-是一种物理-化学刻蚀;-是一种选择性很强的刻蚀-在低压中进行,污染小-与去胶工艺同时进行-表面损伤置入等离子场中的分子因等离子能量的激励生成了性的游离基分子、原子,以这些活性游离基分子、原子引起的化学反应,形成挥发性产物,而使被蚀物剥离去掉。
活性游离基分子、原子不受电场影响,因而各向同性。
Reactive High ion density etching plasma Plasma etching l I IPressure (torr)Figure 11.2 Types of etch processes on a chamber pressure scale.I101 io-1 10-3 10-5 w Ion milling 才装置:<JTi_L M *曲予区腑L 蠶内閒 siProcess gases-F基刻蚀原理:(Si。
?为例)CF4 -等离子激发.A 2F+CF2 (游离基)• SiO2+4F-SiF4+2O• SiO2+2CF2>SiF4+2COCl基…Figure 11.8 Proposed mechanism of plasma etching of siliconin CF#・ A l - to 5-a(om-lhick SiF v layer forms on the surface ・ A silicon atom on the upper level is bonded to two fluorine atoms. An additional flu or inc atom may remove the silicon as SiF 2. Much more likely, however, is that additional (III) fluorine atoms bond to the silicon atom until SiF 4 forms anddesorbs (after Manos and Flanun, reprinted by permission, Academic Press)./Sl \\ / 1/ /Sl \/Sl \(II)◎RF generator:1) Etchant gases: enter chamber (Gas deliver Electric fieldEtch process chamberExhaustIsotropic etchSubstrate唸么么么么么么么么么么么么么么么么么么么么7) Desorption ofby-productsBy-productso2) Dissociation ofreactants byelectric fields4) Reactive +ionsbombard surfaceAnisotropicetch九oo3) Recombination ofO electrons with atoms.creates plasma5) Adsorption of 6) Surface reactions of reactiveions radicals and surface filon surface8) By-productremovalCD-氧的作用:加快-氢的作用:减慢-高分子生成:刻蚀速度、选择性-反应气体:CF4> CHF3、CF6SOLID ETCH GAS ETCH PRODUCT Si. SiO2a Si3N4CF中SF6, NF3SiF4Si 0*12, CCIgF? SiCI2r SiCI4Al BGig. CCI4, SiCI4, ci2AICI31 AI2CI6 Organic Solids °2 co, co2l H£O°2 + CF4 C0P C02, HF Refractory Metals {W, Ta, Mo...)See Table 11.3120Figure 11.11 Etch rate of Si and SiO 2 in (A) CF 4/O 2 plasma (after Mogab et al.9 reprinted by permission, AIP)、and (B) CF 4/H 2 plasma (after Ephrath and Petrillo, reprinted by permission of the publisher, The Electrochemical Society Inc.).10080Resist (PMMA 2041)604020Pressure - 25 mTorrFlow rate - 40 ccm150 (B)10 20 30 40 Percent hydrogen (CF 4 + H 2 mixture)InGaAs刻蚀仿真刻蚀前结构PIN结构。
10um厚的本征InP衬底,在衬底上生长3urri厚的掺杂Si浓度为2X 1018的InP层(N+),然后再淀积厚的Si掺杂4X1016的n_,lnGaAs, InGaAs中In的组分为0.53。
上层淀积lum厚的InP,掺杂为2X IO18 (P+) o刻蚀阻挡层采用Si3N4,厚度lumo等离子体刻蚀中可以改变的参数及默认值各参数的意义:[PRESSURE=<n>] #定义等离子体刻蚀机反应腔的压强[TGAS=<n>] #定义等离子体刻蚀机反应腔中气体的温度[TION=<n>] #定义等离子体刻蚀机反应腔中离子的温度[VPDC=<n>] #等离子体外壳的DC偏压[VPAC=<n>] #等离子外壳和电珠之间的AC电压[LSHDC=<n>] #外壳的平均厚度[LSHAC=<n>] #外壳厚度的AC组成[FREQ=<n>] # AC电流的频率[NPARTICLES=<n>] #用蒙托卡诺计算来自等离子体的离子流的颗粒数[MGAS=<n>] #气体原子的原子质量[MION=<n>] #等离子体离子的原子量[(CHILD 丄ANGM|COLLISION|LINEAR|CO NSTANT)] #计算等离子体外壳的电压降的模型,默认为CONSTANT[MAX.IONFLUX=<n>] [IONFLUX.THR=vn>][K.l=<n>] #定义等离子体刻蚀速率的线性系数[K.F] #定义化学流相关的等离子刻蚀速率[K.D] #定义淀积流量相关的等离子体刻蚀速率刻蚀腔压强越大,刻蚀速率变小.刻蚀效果也变差。
这从离子的能量一角度分布中也可以得出结论 SU O L S 改变刻蚀腔压强 ATHENA WERLAY AlltNAff\tRlAY Dala from multiple files Data from multiple files MierGCiS 妇旳 &_p RORJU3 旳 U_p _ph5niw_p ir»j««6^_pherTi6i_p mgoaa _phsma_p 1.£tf 37S 511 lO<str 50如 100 sir 8410HicrorfS改变气体温度ATHEf^A OVERLAYData from multiple 1iles-10 — •8-6 ・2 n0aFt5_ptosme*Jg95j2CO.5lf in 护8_ptairiiaJ93a_3CO alt 「旷25』忖巧.d 〔0 5lr 10 14 16 Microns刻蚀腔中气体的温度高时刻蚀剖面要好,但影响较小改变离子温度离子温度低时刻蚀效果要好,AWENA OVERLAYDala from muliiple filesSUOP5“ --------- X in0&38_pisce»ri6(Jion_etO.2trin0a38_K<&eiriGi_t>oajcO3<trX x in 阿2占他命in 的”屮时。