氮化钽金属薄膜干法刻蚀的研究集成电路工程专业毕业论文pdf.docx

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氮化钽金属薄膜干法刻蚀的研究集成电路工程专业毕业论文pdf

氮化钽金属薄膜干法刻蚀的研究-集成电路工程专业毕业论文.pdf

Abstraet

TaNthinfilmhasbeenwidelyaPPliedinmieroeleetronieProeess.It15usedasbarrierlayerinCuinterconnectapplieationinstandardCMOSBEOL

processes·Owingtoitsgoodcompatibilitywithhigh一kmaterials，TaN15being

studiedasasubstituteformetalgatematerialinsub45nmCMOSProeesses·Furthermore，itcanbeusedasabsorbermaterialinEUVlithograph醉Andin

recentaPPlieation，ithasbeendemonstratedthatTaNthinfilmeanbeusedas

eonductormaterialforMEMSmierobridgestrueture.ButrePortsonTaNetehinginMEMSaPPlieationeanseldombefoundtoday.

Inthisthesis，wewilldiseussaboutTaNdryetchingProeessdeveloPment

aPPliedinuncooledinfraredbolometerarraysProduet.AmorPhoussilieon15ehosenasthethermalsensitivematerial.Beeauseofitshighthermal一eoeffieientofresistanee，the代sistaneewillvaryvisiblywhUeexPosingtotheinfraredrayandthevarianceratioofeacheellwillbetransferredintoimagesignalbytheread一outICsonthesubstrate.Theelectrodematerialwhiehtransfersthesignals

forsuehProduetsmusthavegoodthermalreliabilityandlowthermal一eoeffieient

ofresistanee.TaNProvidesanidealoPtionforitsProPertiesmeetbothofthe

requirements.

Beingtheelectrodematerial，TaN15dePositedontothesubstrateafterthe

etehingofamorPhoussilieonanditdefmestheformoftheresistors.ThustheetchingofTaN15aeritiealstePduringtheProduetdeveloPment，whiehrequiresg00dcontrolofthet0P0graPhyofsidewalland1055ofthesubstrateaswell.In

thisPaPer，wewUItalkabouttheTaNthinfilmetchingdeveloPmentbased

CenturaPlatformandwithCHF3/CF4tobetheetehinggas.Theeffeetsofsucheharacteristieslikeradio一frequencyPower，PressureoftheProcessehamberandgasflowareevaluated.TheoPtim忱edreeiPehasgoodcontrolof51and51021055

ofthesubstrate.TheresiduewasaseriousissueduringthedcveloPmentandhas

beenovereomebyoPtimiZationoftheashProcess.Wecreatedamodelforthe

formingofresiduesandaehievedgoodresultafteraddingaCF4treatmentstePintothetow一stePashProeessing.TheeffeetivitiesofthereeiPesaredemonstratedbye一testresultsoffull一flowwafers.Theeffeetofsubstrate，5situation15alsodiseussed.TheoPtimiZedreciPesaresuceessfullyimPlementedintheProduetsfinally.

Keywords:

TaN，dryetch，seleetivity，maineteh，overetch，ash，residue

ClassifieationCode:

TN405.98

第二章干法刻蚀的基本原理及应用

2.1引言

刻蚀可以分为干法刻蚀（又称为等离子体刻蚀）和湿法刻蚀。

湿法刻蚀是利用液态的化学药液来去除硅片上的材料，主要是利用这些化学药液和硅片上材料的不同化学反应来实现的。

它的实现方式可以是批量的，也可以是单片式的。

湿法刻蚀不同于干法刻蚀之处在于它是各向同性的，即在各个方向上的刻蚀速率是相同的。

湿法刻蚀主要是靠时间来控制的，相对于干法刻蚀，湿法刻蚀的设备也比较简单。

正因为湿法刻蚀的各向同性性质限制了它在形成关键的小图形尺寸的工艺中的使用，为此不得不使用干法刻蚀来实现。

干法刻蚀是利用气态的等离子体中的活性物质及离子与硅片上的物质发生

物理、化学反应并生成挥发性产物来实现的。

它可以是各向同性的，例如用于去除光刻胶的灰化工艺;也可以是各向异性的，即那些对关键尺寸和形貌要求很高的步骤，例如CMOS栅极的形成等。

干法刻蚀的实现方式可以是批量的，也可以是单片式的，现在用于8寸和12寸硅片的干法刻蚀工艺都是单片式的，因为单片式的刻蚀均匀性更好、更可控，刻蚀的终止可以通过时间控制，也可以用终点监测设备在线检测自动停止。

干法刻蚀中重要的工艺参数有:

刻蚀方向性（即各向同性和各项异性）、刻蚀选择比（即一种材料与另一种材料刻蚀速率之比）、刻蚀均匀性、等离子损伤，这些参数直接影响到刻蚀结果的好坏，即刻蚀图形的形貌、图形的尺寸、硅片上各处图形的差异（即刻蚀均匀性）。

2.2干法刻蚀原理

干法刻蚀又被称为等离子体刻蚀，这是因为它是在低压力下利用射频电场将混合的反应气体离化成等离子体，在等离子体中形成活性自由基团和相应的正负离子，刻蚀正是利用活性的自由基的化学反应和自由离子对硅片的轰击来移除材料的。

下面大致介绍一下等离子体的基本知识。

2.2.1等离子体

通俗地讲等离子体是一群完整与破碎分子的集合，这些破碎分子不论是否带电，其活性皆很强，故可以在低温下淀积薄膜或者刻蚀薄膜，其中的正负电荷粒子数目接近相等，整体表现为电中性。

即等离子体内部的电子和正离子浓度几乎

相等。

准电中性（Quasi一neutral）:

ni二ne（2.1）

其中ni是正离子浓度，ne是电子浓度。

离化率（Ionizationrate）:

h二可帆+nn）（2.2）

其中nn为等离子体中中性物质（原子或者分子）浓度。

离化率取决于电子的能量和各种气体的离化能。

对于平行平板刻蚀腔体，离化率小于0.01%，对于ICp（induetiveeo即ledplasma电感祸合等离子体），ECR（electroneyclotronresonanee电子回旋共振）等HDp（highdensityplasma高密度等离子体）系统离化率约为1一5%。

电子能量由所施加的射频功率来控制，同时与压力，电极间距以及腔体设计有关。

2.2.2等离子体的产生和维持

中性气体中的自由电子在电场的作用下被加速，加速的自由电子与中性气体

中的分子发生碰撞，等离子的产生和维持依赖于其中的三种最重要的碰撞。

下面介绍等离子体中三种最重要的碰撞:

电子离化碰撞:

。

+A晓4++2。

（2.3）

在此碰撞中电子数目倍增，使得用于离化碰撞的电子数目持续不断地增加，是等离子产生和维持中最为重要的碰撞。

同时此碰撞中产生了带有正电荷的离子，此正离子可以被施加的电场控制，被加速以轰击被刻蚀硅片，是十分重要的刻蚀工艺调节参数。

受激一驰豫碰撞:

。

+A洲’+。

，A*枷+hn（光子）（2.4）A*是激发态的A，表示A有一个电子在能量较高的轨道上，它没有从碰撞中获得足够的离化能量，只是跃迁到高能轨道上，A‘不稳定会掉回基态，同时将获得的能量以光子形式释放出来，形成等离子体发光。

此过程称为驰豫（relaxation）。

不同的原子分子有不同的轨道结构和能级，因此发光的频率不同，干法刻蚀的终点监控EPD（endPointdetection）就是利用此发光的原理工作的。

分解碰撞:

。

+AB宁A+B+。

（2.5）电子通过碰撞将将气体分解成为小的碎片，称为自由基（free:

adical）。

A，B为自由基，它们是至少带有一个不成对电子的一种分子碎片，因而化学性质很不稳定，化学活性很强，正是自由基促进了刻蚀、化学气相淀积的化学反应。

助下完成的。

5.刻蚀产物通过扩散进入等离子体内。

6.将刻蚀产物从等离子体中抽出，这是通过真空泵抽气系统完成。

刻蚀的真空度一般在1mTo二1Torr范围内。

在太低的压力下工作，等离子

体难以维持，这是因为当压力降低，平均自由程变大，当平均自由程大到与电极间距及工艺腔体尺寸相同时，电子在碰撞电极或者反应壁之前不会与其它气体分子产生很多碰撞，导致维持等离子体的离化碰撞减少，因而难以产生等离子体。

由于电子的质量比离子轻很多，所以在相同电场作用下，电子的速度比离子快很多。

电子首先到达反应腔壁和电极处，使得电极带负电，排斥电子，吸引正离子，从而在靠近等离子体附近的表面形成了一个电荷差异区域形成了壳层电位（sheathpotential），壳层电位差会加速离子朝向电极的移动，造成离子轰击。

2.2.4刻蚀的形貌控制机制

等离子体干法刻蚀之所以能逐渐替代湿法刻蚀，在更为先进的器件中被广泛采用是由于它具有各向同性刻蚀（耐sotropicetching）特性，这使得所形成的图形侧壁垂直，能够被持续不断地缩小，使得在相同面积的硅片上制作出更多的电路，以满足摩尔定律所预测的集成电路的不断向前发展。

等离子体各向异性刻蚀有两种机理:

损伤机制（damagemeeh面sm）和隔绝机制伪lockingmech耐sm）。

所谓损伤机理是指等离子体中的离子在电场的加速下轰击硅片，会打断硅片表面原子的化学键。

这时表面原子容易与等离子体中扩散来的自由基发生反应，如图2.2所示。

由于离子轰击主要发生在垂直于硅片表面的方向，使得垂直方向的刻蚀速率比水平方向快很多，从而导致各向异性刻蚀。

隔绝机制是在等离子体中不仅存在刻蚀物质，还存在聚合物的生成以及刻蚀

副产物，这些聚合物以及刻蚀副产物会淀积在硅片表面。

同时离子轰击也会使光刻胶及硅片上的材料被溅射出来并淀积在硅片表面。

这些淀积的物质如果不被去除会导致刻蚀物质被隔绝，使刻蚀停止。

由于离子轰击主要发生在垂直方向上，这些轰击能帮助去除图形底部的淀积物质，但是图形侧壁的淀积物仍然存在，起到了保护侧壁不受刻蚀的作用，因而刻蚀主要发生在垂直方向上，如图2.3所示。

离子

蚀l\由曝产.拼爵/物叠.

暴露出的原子…….……断

:

…….……

娜

……..……

.….….……:

…:

….….:

…:

…..…:

…:

…:

…:

…:

…:

…:

…:

…:

…:

…

被刻蚀的原子或……

分子….…

……

……….

……

……

……............……

图2.2损伤机理

底部淀积物被轰击出来

......................……

......................……

......................……

......................……

图2.3隔绝机制

2.3刻蚀气体的应用

经过多年的发展，针对半导体制造中的不同材料，已经开发出了不同的刻蚀气体的应用。

对于不同的材料，目前常用的刻蚀气体及性能列于表2.1中。

13

表2.1针对不同材料的典型刻蚀气体及性能

材材料料刻蚀气体体刻蚀性能能

CCCCCF4舰2，CHF333各向异性;与510:

选择比很差差

SSSiiiSF6，CF444接近各向同性;与510:

选择比很差差

CCCCCF4/0222各项同性;与510:

选择比较好好

HHHHHB几C12，C12/HBr/0222各项异性很好;与510:

选择比最好好

力力力力降低时，各项异性能得到改善;与si选选55510222SF6，NF3，CF4/02，CF;;;接择择择择近