集成电路工艺刻蚀优秀PPT.ppt
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1、集成电路工艺刻蚀集成电路工艺刻蚀第一页,本课件共有56页1.引引 言言第二页,本课件共有56页1.1刻蚀的概念刻蚀的概念刻蚀刻蚀:它是半导体制造工艺,微电子IC制造工艺以及微纳制造工艺中的一种相当重要的步骤。是与光刻相联系的图形化(pattern)处理的一种主要工艺。所谓刻蚀,实际上狭义理解就是光刻腐蚀,先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理,然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。随着微制造工艺的发展;广义上来讲,刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称,成为微加工制造的一种普适叫法。第三页,本课件共有56页1.2刻蚀工艺的目的刻蚀工艺的目的把光刻胶图形精确地转移
2、到把光刻胶图形精确地转移到硅片上,最后达到复制掩膜硅片上,最后达到复制掩膜版图形的目的。版图形的目的。第四页,本课件共有56页 1.3 刻蚀示意图刻蚀示意图第五页,本课件共有56页1.4 刻蚀的分类刻蚀的分类干法刻蚀:把硅片放在气体把硅片放在气体等离子体中,有等离子体中,有选择地去除表面选择地去除表面层材料的过程。层材料的过程。湿法刻蚀:把硅片放在化学腐把硅片放在化学腐蚀液里,有选择地蚀液里,有选择地去除表面层材料的去除表面层材料的过程。过程。第六页,本课件共有56页n n湿法刻蚀是湿法刻蚀是各向同性刻蚀各向同性刻蚀,用化学方法,不能实现图,用化学方法,不能实现图,用化学方法,不能实现图,用化
3、学方法,不能实现图形的精确转移,适用于特征尺寸形的精确转移,适用于特征尺寸形的精确转移,适用于特征尺寸形的精确转移,适用于特征尺寸 3的情况的情况n n干法刻蚀是干法刻蚀是各向异性刻蚀各向异性刻蚀,用物理和化学方法,能实,用物理和化学方法,能实,用物理和化学方法,能实,用物理和化学方法,能实现图形的精确转移,是集成电路刻蚀工艺的主流技术。现图形的精确转移,是集成电路刻蚀工艺的主流技术。现图形的精确转移,是集成电路刻蚀工艺的主流技术。现图形的精确转移,是集成电路刻蚀工艺的主流技术。第七页,本课件共有56页n n各向同性刻蚀:各向同性刻蚀:侧向与纵向腐蚀速度相同侧向与纵向腐蚀速度相同n n各向异性
4、刻蚀:各向异性刻蚀:侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀速度,侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀速度,侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀速度,侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀速度,侧向几乎不被腐蚀。侧向几乎不被腐蚀。侧向几乎不被腐蚀。侧向几乎不被腐蚀。(a)各向同性刻蚀剖面)各向同性刻蚀剖面 (b)各向异性刻蚀剖面)各向异性刻蚀剖面 第八页,本课件共有56页2.刻蚀参数及现象刻蚀参数及现象第九页,本课件共有56页在刻蚀工艺中,刻蚀参数用来描述刻蚀在刻蚀工艺中,刻蚀参数用来描述刻蚀效果的好坏,决定光刻胶图形向硅片转效果的好坏,决定光刻胶图形向硅片转移的质量。这些刻蚀参数在工艺中非常移的质量。这些刻蚀参数在工艺中非常重要
5、。重要。第十页,本课件共有56页n n刻蚀参数刻蚀参数刻蚀速率刻蚀速率刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差选择比选择比选择比选择比均匀性均匀性均匀性均匀性刻蚀剖面刻蚀剖面n n刻蚀现象刻蚀现象残留物残留物聚合物聚合物等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷第十一页,本课件共有56页2.1刻蚀速率刻蚀速率 刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率T/tT/t 其中其中T为去掉薄层材料的厚度(单位:为去掉薄层材料的厚度(单位:埃埃埃埃/分、或分、或nmnm/min)、)、)、)、t为刻蚀时间(单位:分)
6、为刻蚀时间(单位:分)第十二页,本课件共有56页2.2 刻蚀偏差刻蚀偏差n n刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化 刻蚀偏差刻蚀偏差WaWb第十三页,本课件共有56页2.3选择比选择比n n选择比指在同一刻蚀条件下,刻蚀一种材料对另一选择比指在同一刻蚀条件下,刻蚀一种材料对另一种材料的刻蚀速率之比。种材料的刻蚀速率之比。n n高选择比意味着只去除想要刻蚀掉的膜层材料,而对高选择比意味着只去除想要刻蚀掉的膜层材料,而对其下层材料和光刻胶不刻蚀。其下层材料和光刻胶不刻蚀。n nSiO2对光刻胶的选择比对光刻胶的选择比(Tsio2/t1/t1)(T T胶胶
7、/t1)Tsio2/T胶胶 (a)0时刻时刻 (b)t1时刻时刻第十四页,本课件共有56页n nSiO2对下层对下层SiSi的选择比的选择比n nSiO2 2对下层对下层Si的选择比的选择比的选择比的选择比 (Tsio2 2/t1)(Tsi/(t3t2)(c)t2时刻时刻 (d)t3时刻时刻第十五页,本课件共有56页2.4均匀性均匀性 刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。2.5刻蚀剖面刻蚀剖面 刻蚀剖面是刻蚀剖面是 指被刻蚀图形指被刻蚀图形指被刻蚀图形
8、指被刻蚀图形 的侧壁形状的侧壁形状第十六页,本课件共有56页2.6残留物残留物 刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料 ,湿法去胶时能去除残留物。湿法去胶时能去除残留物。湿法去胶时能去除残留物。湿法去胶时能去除残留物。2.7聚合物聚合物 聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质组成的化合物。组成的化合物。第十七页,本课件共有56页n n聚合物的优点聚合物的优点:在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜,阻:在刻蚀图形侧壁上形成
9、抗腐蚀膜,阻:在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜,阻:在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜,阻挡侧壁的腐蚀提高各向异性,获得良好的腐蚀剖面。挡侧壁的腐蚀提高各向异性,获得良好的腐蚀剖面。挡侧壁的腐蚀提高各向异性,获得良好的腐蚀剖面。挡侧壁的腐蚀提高各向异性,获得良好的腐蚀剖面。n n聚合物的缺点聚合物的缺点:在反应室的任何地方都有聚合物,影:在反应室的任何地方都有聚合物,影:在反应室的任何地方都有聚合物,影:在反应室的任何地方都有聚合物,影响纵向的刻蚀速率,增加反应室的清洗工作。响纵向的刻蚀速率,增加反应室的清洗工作。响纵向的刻蚀速率,增加反应室的清洗工作。响纵向的刻蚀速率,增加反应室的清洗工作。第十八页,
10、本课件共有56页n n聚合物(聚合物(Polymer)的形成)的形成第十九页,本课件共有56页2.8等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况:等离子体诱导损伤有两种情况:等离子体诱导损伤有两种情况:等离子体诱导损伤有两种情况:1)等离子体在)等离子体在MOSMOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引起晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化硅的击穿。薄栅氧化硅的击穿。2)带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的)带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的氧化层进行轰击,使器件性能退化。氧化层进行轰击,使器件性能退化。2.9颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷 颗粒沾污和缺陷由等离子体产生,
11、是刻蚀中经常颗粒沾污和缺陷由等离子体产生,是刻蚀中经常 遇到的问题,应尽量减少。遇到的问题,应尽量减少。第二十页,本课件共有56页3.干法刻蚀干法刻蚀第二十一页,本课件共有56页1.刻蚀过程刻蚀过程1)刻蚀气体进入反应腔(以)刻蚀气体进入反应腔(以CF4为例)为例)2)RF电场使反应气体分解电离,产生等离子体电场使反应气体分解电离,产生等离子体3)等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等)等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等4 4)反应正离子轰击样品表面)反应正离子轰击样品表面)反应正离子轰击样品表面)反应正离子轰击样品表面各向异性刻蚀(物理各向异性刻蚀(物理 刻蚀)刻蚀)3.1干法刻
12、蚀原理干法刻蚀原理第二十二页,本课件共有56页5)反应正离子吸附表面)反应正离子吸附表面6)反应元素(自由基和反应原子)和表面膜的表)反应元素(自由基和反应原子)和表面膜的表 面反应面反应各向同性刻蚀(化学刻蚀)各向同性刻蚀(化学刻蚀)各向同性刻蚀(化学刻蚀)各向同性刻蚀(化学刻蚀)7)副产物解吸附)副产物解吸附8 8)副产物去除)副产物去除第二十三页,本课件共有56页 干法刻蚀过程示意图干法刻蚀过程示意图第二十四页,本课件共有56页2.等离子体的电势分布等离子体的电势分布当刻蚀机电极加上射频功率后,反应气体电离形成当刻蚀机电极加上射频功率后,反应气体电离形成辉光放电的等离子体;辉光放电的等离
13、子体;在正负半周的射频电压作用下,快速运动的电子离开在正负半周的射频电压作用下,快速运动的电子离开等离子体轰击上下电极,使接电源的电极产生一个相等离子体轰击上下电极,使接电源的电极产生一个相对地为负的自偏置直流电压;对地为负的自偏置直流电压;第二十五页,本课件共有56页n n达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥,产生一达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥,产生一达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥,产生一达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥,产生一个带正离子电荷的暗区(即离子壳层);个带正离子电荷的暗区(即离子壳层);个带正离子电荷的暗区(即离子壳层);个带正离子电荷的暗区(即离子壳层
14、);n n等离子体相对于接地电极产生一个等幅的正电势电位。等离子体相对于接地电极产生一个等幅的正电势电位。等离子体相对于接地电极产生一个等幅的正电势电位。等离子体相对于接地电极产生一个等幅的正电势电位。电源电极自偏置电压的大小取决于电源电极自偏置电压的大小取决于电源电极自偏置电压的大小取决于电源电极自偏置电压的大小取决于RF电压的幅度、频电压的幅度、频电压的幅度、频电压的幅度、频率和上下电极面积的比值。率和上下电极面积的比值。率和上下电极面积的比值。率和上下电极面积的比值。第二十六页,本课件共有56页3.反应离子刻蚀(反应离子刻蚀(Reactive Ion Etch,RIE)n n反应器反应器
15、平行板平行板RIE反应器反应器第二十七页,本课件共有56页n n刻蚀机理刻蚀机理 反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离离形成等离子体形成等离子体形成等离子体形成等离子体,等离子体由高能电子、反应正离子、,等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原子团组成。自由基、反应原子或原子团组成。反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面,且反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面,且射频电源电极(
16、称为阴极)的面积小于接地电极(称射频电源电极(称为阴极)的面积小于接地电极(称为阳极)的面积时,在系统的电源电极上为阳极)的面积时,在系统的电源电极上产生一个较产生一个较大的自偏置电场。大的自偏置电场。第二十八页,本课件共有56页等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得得得得到能量轰击样片表面,到能量轰击样片表面,到能量轰击样片表面,到能量轰击样片表面,这种离子轰击不仅对样片表面这种离子轰击不仅对样片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀,而且提高了表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀,而且提高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性,层自由基和反应原子或原子
17、团的化学活性,加速与加速与样片的化学反应样片的化学反应。由于由于由于由于离子轰击的方向性,遭受离子轰击的底面比未离子轰击的方向性,遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多,达到了很好遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多,达到了很好的的各向异性各向异性各向异性各向异性。第二十九页,本课件共有56页4.高密度等离子体反应离子刻蚀高密度等离子体反应离子刻蚀n n传统的传统的传统的传统的RIE系统不能满足小于系统不能满足小于系统不能满足小于系统不能满足小于0.25m0.25m高深宽比图形的刻高深宽比图形的刻蚀要求,于是发展了高密度等离子体蚀要求,于是发展了高密度等离子体RIERIE系统。系统
18、。n n高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋振荡高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋振荡RIE系统、电系统、电感耦合等离子体感耦合等离子体RIE 系统、磁增强系统、磁增强RIERIE系统等。系统等。n n高密度等离子体的离化率达到高密度等离子体的离化率达到10%10%而传统最大而传统最大0.1%0.1%第三十页,本课件共有56页n n反应器反应器 第三个电极:第三个电极:ICPICP(I Inductively Coupledoupled Plasma)电)电极极优点:结构简单,成本低优点:结构简单,成本低三极平行板三极平行板RIE反应器反应器第三十一页,本课件共有56页ICP-RIE 刻蚀机刻蚀机I
19、CP部分部分传片腔传片腔第三十二页,本课件共有56页n n高密度等离子体反应离子刻蚀的特点:高密度等离子体反应离子刻蚀的特点:高密度等离子体反应离子刻蚀的特点:高密度等离子体反应离子刻蚀的特点:1.等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率 2.2.系统中引入磁场使反应离子具有高方向性,可获系统中引入磁场使反应离子具有高方向性,可获 得高深宽比的槽;得高深宽比的槽;3.系统的自偏压低,反应离子的能量低,因而减小系统的自偏压低,反应离子的能量低,因而减小系统的自偏压低,反应离子的能量低,因而减小系统的自偏压低,反应离子的能量低,因而减小 对对SiSi片表面的轰击损伤
20、。片表面的轰击损伤。第三十三页,本课件共有56页5.终点检测终点检测n n终点检测的常用方法:光发射谱法终点检测的常用方法:光发射谱法第三十四页,本课件共有56页n n光发射谱法终点检测机理:光发射谱法终点检测机理:在等离子体刻蚀中,反应基团与被刻蚀材在等离子体刻蚀中,反应基团与被刻蚀材料反应的同时,基团被激发并发出特定料反应的同时,基团被激发并发出特定波长的光,利用带波长过滤器的探测器,波长的光,利用带波长过滤器的探测器,探测等离子体中的反应基团发光强度的探测等离子体中的反应基团发光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。变化来检测刻蚀过程是否结束。第三十五页,本课件共有56页3.2干法刻蚀的应用
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