干法刻蚀中的若干问题在线视频

各位同学 大家好

今天我们看第六章

图形转移技术的第二节

干法刻蚀中的若干问题

上一节我给大家讲解了

干法刻蚀中三个重要的考虑要素

刻蚀的选择比

各向异性和离子轰击的损伤

从提高选择比的角度看

我们希望只利用等离子体

来增强腐蚀气体的化学活性

而不要离子轰击

这样做选择比可以做得比较高

但腐蚀过程往往是各向同性的

从提高各向异性的角度看

我们则需要适当的离子轰击

离子轰击可以去除相应面上的

反应生成物

并大大增强化学腐蚀的速度

而离子轰击只是垂直向下的

从而提到了定向性

牺牲的则是选择比

而且比较大能量的离子轰击

还可能带来腐蚀面的晶格损伤

所以适当的trade-off是需要的

基于上一节的这些认识

我们这一节进一步讨论一下

干法刻蚀中的若干问题

包括掩膜损失和硬掩膜的问题

侧壁沉积物的控制

离子刻蚀速度的负载效应

和所谓的天线效应

那我们先看一下

这个掩膜损失和硬掩膜

大家知道在腐蚀的过程中

光刻胶也会被腐蚀掉

使光刻胶定义的窗口

在腐蚀的过程中会展宽

这样对定向腐蚀是不利的

解决的办法

就是把光刻胶的掩膜

先转移成一个所谓的硬掩膜

也就是说一种介质层

它对下层腐蚀的材料

有很高选择比的这样一种材料

那么用硬掩膜 可以有效地防止

在腐蚀过程中掩膜本身

两边展宽的这样一个过程

另外一个干法腐蚀中

经常要注意的问题

是侧壁沉积物的控制

那么这张图给出了

就是说反应的过程中

那么底面的这个生成物

那么受离子轰击

它很容易就挥发掉了

反应生成物会在侧壁沉积

那么前边一节也讲到了

侧壁的反应物

对定向腐蚀并不是坏事

它可以有效地保护侧壁

不向两边展宽

但是另外一件事情

就是如果侧壁沉积物过多

它也会产生反的

使得窗口逐渐缩小的一个过程

比如说这张图给出的情况

就是在刻蚀的这个过程中

看上去的这个刻蚀是垂直向下的

但是它好大一部分是侧壁生成物

如果把侧壁生成物去掉

就是下面这样一个图象

所以对于侧壁生成物

我们是要有适当控制的

那么前一节也讲到了

侧壁生成物

如果我们在反应气氛中

加入少量的氧气

因为侧壁生成物主要是

Polymer状态的

那么我们是可以去除的

所以在适当地控制

反应气体中的氧含量

使得侧壁生成物

既有一定的侧壁生成物

又不产生大量地堆积

是垂直腐蚀的

一个很重要的工艺控制点

那么所以对于高定向腐蚀的

要求的这个场合

我们往往联合地使用硬掩膜

以及合理地控制侧壁生成物

来获得很高深宽比的刻蚀的效果

像这两张图就给出了很好的

这样的一个定向腐蚀的结果

这里头适当地保留侧壁生成物

这个Polymer

那么是这个实现陡直刻蚀的

一个关键

那么这个图给出了

就是动态随机存储器DRAM里头它用了一个Trench电容

也就是一个垂直向的电容

它也需要一个很高的

一个深宽比的一个刻蚀

那么也是通过这样手段来达到的

反应生成物在侧壁的堆积

对陡直刻蚀是重要的

但是这个侧壁堆积的Polymer

对电路可靠性会产生不利的影响

所以在刻蚀完成之后

我们往往加最后一步的

一个阳等离子体的处理

来去除Polymer

这样的话提高整个电路的可靠性

干法刻蚀中

需要注意的另一个问题

是所谓的负载效应

就是Loading effect

那么我们可以看到这张图

那么对于硅也好

氮化硅也好 其他材料也好

它的刻蚀速率

是与需要刻蚀材料的

暴露的表面积相关的

随着表面积的增大

刻蚀速率是迅速下降的

那么我们集成电路里的版图图形

从集成电路的这个角度看的话

它的每个区域里头

图形密度是不一样的

那么这样一来

就会使得我整个的刻蚀速度

图形密集的地方

刻蚀速率会比较低

而图形比较疏的地方

刻蚀速率会比较高

这样的话

那么就会使得整个刻蚀的均匀性

受很大的影响

这就需要我们在设计的时候

在图形比较疏的地方

加一些所谓的dummy pattern

所谓假图形

那么使得我整个集成电路的

各个区域的图形密度

是大致相当的

这样的话来克服所谓的负载效应

还有一个重要的问题

就是所谓的天线效应

大家知道等离子体刻蚀

就是干法刻蚀

他的离子轰击是带电荷的

那么比如说一个集成电路

它的这个

尤其是在金属引线的刻蚀过程中

那么金属引线对于这个期间来说

就相当于一个天线

它收集了大量的电荷

那么这个电荷它会产生电场

尤其是在栅这一级里头

大家知道栅氧化层是非常薄的

如果反应刻蚀的时候

它收集的电荷产生的电场足够强

是有可能击穿栅介质层的

这个也是一个很重要的问题

大家解决这个问题的办法

同样需要工艺与设计的结合

在设计的时候

避免比较大的长的金属线的刻蚀

尤其是这个金属线

与栅介质相连的这样的一个情况

那我们通过两个工艺优化的例子

看一下工艺优化中

主要需要考虑哪些因素

首先我们看一个

这个多晶硅栅刻蚀的这个例子

大家知道MOSFET晶体管的多晶硅栅

是最紧密的这样的一个结构

它的宽度通常的话只有几十纳米

而它的多晶硅栅的有几百纳米

所以它是一个需要

非常高深宽比这样的一个刻蚀

另外多晶硅下面是栅介质

栅介质通常只有两三个纳米的厚度

所以它又是一个需要高选择比的

这样一个刻蚀

也就是说

要刻几百纳米厚的多晶硅材料

而要停到两三纳米的栅介质上

那么为了达到这样的一个效果

我们通常用的技术是

前面讲的硬掩膜

我们用硬掩膜来使得

整个刻蚀的光刻胶的损失

不影响刻蚀的定向性

另外我们在主刻蚀的过程中

会增大离子轰击这样的一个效果

并且我们要适当地控制

侧壁生成物的堆积

来实现陡直的刻蚀

那么这是我们所谓的Main etch

就是主刻蚀阶段

主要考虑的因素

当主刻蚀完成

也就是说多晶硅刻蚀

基本上到了多晶硅

与栅介质的界面时

它的主要矛盾又转化成了

高选择比

这时候我们整个工艺

要减小离子轰击的能量

更多的利用等离子体刻蚀

来提高这样的一个选择比

那么这是提高选择比的过程

那么我们看一下这张图

在最后的这个阶段

提高选择比的时候

我们会加意义所谓的Over-etch

来使得多晶硅栅角的部分

它的这个形貌

也能够比较刻蚀干净

也能达到比较好的这样一个效果

所以总的来看

就是说我们整个的一个刻蚀过程

它会根据不同的要求

把它分成几个工艺段

每个工艺段我们采用的腐蚀气体

以及采用的工艺参数

都有可能是不同的

我们不是用同样一个工艺条件

完成整个的刻蚀

那么这个刻蚀可能分好多个阶段

那么这是一个例子

那么我们看另外一个例子

就是所谓的TSV的刻蚀

TSV的意思就是through silicon via

这个就是硅穿孔的刻蚀

硅穿孔在现代封装里头

很多地方都用

那么它的意思

是把整个硅片刻穿

那么大家知道硅片是很厚的

即使减薄以后

它有几十微米的厚度

那么要刻几十微米的深度

对干法刻蚀来说

是一个刻蚀深度非常深的

这样的一个场景

而TSV的宽度

往往只有零点几个微米

所以它同时又是一个高深宽比的

这个刻蚀的要求

对于这么深的一个刻蚀

它的这个整个的这个刻蚀过程

实际上是受刻蚀反应生物成去除

这个机制限制的

因为这个刻蚀很深

反应生成物很高 很多

那么大家知道反应生成物

在侧壁堆积

又是一个控制各向同性刻蚀的

一个很重要的一个机制

那么在这种TVS深刻蚀的过程中

我们一方面要利用侧壁生成物

在反应生成物在侧壁的堆积 来实现各向异性

同 时我们在适当的时候

要通过氧等离子体来去除

反应生成物

使得反应得以继续进行

这样的话我们在不断地主刻蚀

加上氧等离子体去除的

这样的过程

就会形成如图所示的

一个一个鼓泡的

这样的一个刻蚀的过程

那么整个的刻蚀

就是一系列的鼓泡连在一起的

这样的一个过程

当然我们为了保证这个陡直性

那么我们要trade-off

就是说刻蚀速率与泡的多少

泡越大腐蚀速度会越快

但是它的各向异性会越差

泡越小各向异性会很好

但是腐蚀速度会受到影响

通过这两个例子我们可以看到

所谓干法刻蚀的工艺优化

它最主要的是两点

一个是我们要深刻地理解

干法刻蚀的理化机理

那么知道这个机理之后

我们就知道工艺的关键点在哪里

第二我们要知道

我们刻蚀核心的要求是什么

比如说多晶硅栅的刻蚀

它的核心的要求是陡直刻蚀

和这个高选择比

那么TSV的刻蚀

我们要trade-off刻蚀速率

和陡直性

那么知道了这个刻蚀的理化机理

知道了刻蚀的

我们具体刻蚀结构的核心要求

我们就可以有效地优化工艺了

好 我们做一下本节的小结

这一节里

我们讲了干法刻蚀中

需要注意的几个问题

一个是如何实现定向腐蚀

定向腐蚀的时候

我们主要的手段

一个是可以采用硬掩膜

另一个要有效地控制侧壁沉积物

既不让侧壁沉积物太多

也不能太少

第二个是我们讲的负载效应

负载效应的意思

就是说刻蚀的速度

是与这个窗口大小有关的

那么窗口面积大的话

那么腐蚀速率会降低

那么在实际集成电路设计里头

我们会通过dummy pattern这个办法

使得各个区域的窗口面积

大致相当

第三是所谓的天线效应

就是说等离子刻蚀的时候

那么尤其是金属线刻蚀

它会收集电荷

有可能对下面的介质产生击穿

那么这也是我们在集成电路

设计过程中需要考虑的一个问题

另外本节通过两个实际例子

一个是多晶硅栅的刻蚀

一个是TSV的刻蚀

来讨论了一下

如何来优化工艺

那么优化工艺中

我们主要考虑的

主要要注意的实际上是这两点

一个是要理解清楚

那么干法刻蚀的

决定它选择比 定向性

以及离子轰击损伤的

它的背后的理化机制是什么

第二就是说我们要针对

我们要制作的这样的一个结构

它的核心的要求

来优化我们的工艺