微电子制造中刻蚀工艺研究与应用

发表时间:2019/9/27   来源:《知识-力量》2019年10月43期   作者:刘闯 马宏亮 郑树彤
[导读] 刻蚀工艺是将未被抗蚀剂膜(通常为光刻胶)掩蔽的膜层刻蚀掉,从而在薄膜上得 到与抗蚀剂膜完全相同图案的工艺。刻蚀工艺通过化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法,有选择地刻蚀掉一定厚度的未被抗蚀剂掩蔽的目标薄膜,从而在目标膜层上得到与抗蚀剂膜层上完全一致的图形。本次实验依照控制变量法的原理,通过改变某一工艺参数,保持其余参数不变
(大连东软信息学院)
摘要:刻蚀工艺是将未被抗蚀剂膜(通常为光刻胶)掩蔽的膜层刻蚀掉,从而在薄膜上得 到与抗蚀剂膜完全相同图案的工艺。刻蚀工艺通过化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法,有选择地刻蚀掉一定厚度的未被抗蚀剂掩蔽的目标薄膜,从而在目标膜层上得到与抗蚀剂膜层上完全一致的图形。本次实验依照控制变量法的原理,通过改变某一工艺参数,保持其余参数不变,来设置使用干法刻蚀工艺加工二氧化硅的对比实验,并根据实验测试结果分析此工艺参数对刻蚀速率、选择比以及刻蚀形貌等的影响。
关键词:刻蚀工艺;膜层;图形;等离子体

 
             1.引言
             刻蚀工艺通过化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法,有选择地刻蚀掉一定厚度的未 被抗蚀剂掩蔽的 目标 薄膜,从而在 目标 膜层 上得到 与 抗蚀剂膜层上完全一致的图形。刻蚀技术主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀。干法刻蚀主要利用反应气体及等离子体与被刻蚀材料发生化学反应及物理轰击 进行刻蚀; 而 湿法刻蚀 仅 利用化学试剂与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀。
             本次的研究课题就是结合晶圆厂的一些产品生产实例,从中总结归纳干法刻蚀工艺中的一些规律,并收集不同 工艺 参数下的刻蚀结果(膜厚、形貌)),通过分析比对刻蚀过程中速率、均匀性、形貌的异同来 验证这些规律,同时以这些规律为基础分析刻蚀中出现的部分异常现象。
             2.实验仪器及材料
             干法刻蚀设备一般由真空系统、供气系统、RF系统、静电吸附及温控系统、反应腔、传送系统、终点检测系统、控制软件系统等8个系统组成。
             200mm和300mm规模的集成电路制造设备,普遍使用了静电吸盘(Electrostatic Chuck)技术,而放弃了传统的机械固定方法。这一改变提高了刻蚀均匀性、减少了尘埃颗粒(Particle)污染。同时,散热器和晶圆背面氦气(He)冷却技术的运用确保了整片晶圆在刻蚀过程中的温度均匀分别,从而降低了温度对刻蚀速率均匀性的影响。
             刻蚀反应腔工作在真空状态下,工作压力一般在10-3~10-2Torr之间。整个系统主要由干泵(Dry Pump)、分子泵(Turbo Pump)、调压阀(Throttle Valve)、门阀(Gate Valve)、隔离阀(Isolation Valve)、真空计和各种真空检测开关组成。
             RF系统即射频系统,由射频发生器(RF Generator)和匹配器(RF Match)组成,发生器产生的射频信号首先输出到匹配器,然后输出到反映腔阴极。该系统通常有两种组合方式:常用的为固定频率射频发生器和可调匹配器;另一种则为变频式射频发生器。
             3.实验及表征
             本次共设置六组条件参数各不相同的实验,其中实验一分别与实验二、实验三、实验四设置有唯一相同变量参数,故通过不同的组合可以构成三组不同的对比实验,分别探究气体种类(是否通入氧气)、气体流量和射频功率对刻蚀的影响;实验一、实验五与实验二、实验六分别为两对实验参数而刻蚀膜层种类不同的对比实验,通过这两对实验可以构成一组对比实验来测出加入氧气对刻蚀选择比的影响。六组实验的参数设置详见表1。
             表1六组实验参数设置表
 
             实验一与实验二以气体种类作为唯一变量,其他实验条件相同。实验一不通入氧气,而实验二通入3sccm的氧气。
             实验一与实验三以气体流量作为唯一变量,其他实验条件相同。实验一通入的CF4的气体流量为50sccm,实验三通入的CF4的气体流量为35sccm。实验一与实验四以射频功率作为唯一变量,其他实验条件相同。实验一的射频功率为300W,实验四的射频功率为600W。实验一、实验五与实验二、实验六分别为两对实验参数相同而刻蚀膜层种类不同的对比实验,通过这两对实验可以构成一组对比实验来测出加入氧气对选择比的影响。其中实验一、实验五不通入氧气,实验二、实验六射频通入3sccm的氧气,其他实验条件相同;实验一、实验二刻蚀膜层为氧化硅,实验五、实验六刻蚀膜层为SOG(硅-玻璃键合结构材料)。
             由本次几组对比实验的结果来看,一定范围内小流量氧气的通入、CF4流量的增加或是射频功率的提升都可以有效提升刻蚀速率并同时改善刻蚀均匀性;反之,若是刻蚀后测得晶圆的膜厚偏低、均匀性差或是选择比不理想,从工艺的角度出发可以尝试以适当通入小流量氧气、增加CF4流量或是提升射频功率的方式来改善这些不良现象。
             4.结论
             综合本次实验的结果来看,基本达到了预期的实验效果,通过设置多组对比实验,总结出了改变通入气体种类、流量及射频功率等干法刻蚀工艺参数对刻蚀结果的影响。具体结论为:
             (1)通入氧气后会会消耗掉刻蚀腔体中一部分碳原子,使气体中反应活性强的氟原子比例上升,以此提高了刻蚀速率。
             (2)通入氧气后,氧气同聚合物链反应形成易挥发的CO或CO2,这样聚合物链就在硅表面上形成之前就被破坏,从而降低了聚合物链在刻蚀硅时的保护作用,结果体现为氧化硅相对于SOG(硅-玻璃键合结构材料)的刻蚀选择比变小。
             (3)减少CF4的通入量后,刻蚀腔内高活性的氟基离子比例下降,从而降低了刻蚀速率。而刻蚀速率降低后,晶圆表面各区域的刻蚀的厚度差会减小,刻蚀均匀性也会得到一定改善。
             (4)随着射频功率的增加,反应腔内参与刻蚀反应的离子的生产速率会上升,从而带动刻蚀速率上升。
参考文献
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