半导体技术新型电子回旋共振等离子体刻蚀技术四川压电与声光技术研究所永川刘一声年月日收到摘要子回旋共振刻性技术是制作微电子光电子和声电器件十分重要的工艺射频微波电等离子体刻蚀技术比传统的湿法刻蚀和反应性离子刻蚀等方法有较多的优点已用于薄膜和半导体基片材料的刻蚀本文主要就这些新的等离子体刻蚀技术以及它们对几种材料的刻蚀特性予以探讨关键词刻蚀电子回旋共振等离子体蚀反应器引言光刻技术在超高速它是利用电子回旋共振原生成业已超大规模集成电路理充分吸收微波能量高效地传导到电子高密度制作中是十分重要的工艺是光刻工艺高活性和低离子能的等离子体中最重要的一环能否把微细的抗蚀剂图形如用作高度选择性新的这些新的低损伤和各向异性刻蚀装置实地转移到硅斤上去在一定程度上取决于刻等的等离子体源或离子源并已发展成当前最蚀技术刻蚀技术有湿法刻蚀与干法刻蚀两种湿法刻蚀是用腐蚀液通过化学反应引起液相固相界面上的剥离腐蚀界面上的剥离腐蚀等离子体刻蚀技术在薄膜和半导体本文特就等离子体刻蚀技术以及它们对基片的刻蚀方面获得了广泛的应用干法刻蚀是用等离子体等通过化学的或物理的反应引起气相固相前者在任何方向都能进行后者可以任意选择几种材料的刻蚀特性予以探讨用在亚微米穿离子等离子体的锥度刻蚀技术多层互联布线处理中腐蚀各向同性由于腐蚀液容易渗透到抗蚀为剂和膜层之间而产生钻蚀此了避免增加中间层的有害电容和产生介质击刻蚀方式和刻蚀条件实现各向异性的刻蚀因现在半导体器件生产中中间层绝缘体的厚度往往不能按照缩小的普遍采用反应性图形尺寸成比例地减少因此通孔的纵横比离子刻蚀和反应性离子束刻蚀深度直径持垂直方向一般都大于而且为了改进等干法刻蚀但是在这两种方法的放电中往往产生轰击样品表面的高能离子器件带来有害的晶格损伤的封装密度通孔侧壁应当尽可能地保给制作中的和高电子迁对于这些要求采用传统的溅射沉特别是对诸如金属积金属化技术化的台阶覆盖化技术将严重影响通孔周围上层金属加之中间层绝缘体表面的平面半导体场效应晶体管移率晶体管器件尤为有害之类的肖特基闸控电子因此也是改进台阶覆盖的重要措施但在为了降低放电中的离子该处形成的通孔深度往往是对应于基础层厚度的起伏而变化的能量并保持各向异性的刻蚀最近研制成多故这个问题是制作微细多层种射频微波电子回旋共振等离子体刻互联布线中急待解决的课题采用离子等离子体的锥度刻蚀通孔技术以下简称层付诸实用的图示出偏压等离子条件的离广便能圆满地解决这一问题川形貌和台阶覆盖获得良好的通孔体刻蚀装置的原理图磁场强度为一一在微波频率为的下在一“低气压下高效的激励出等离子体于是广一一一一一离子被施加到基片进一步力速偏压此能够完成在样品表面上的高速溅射刻蚀微波二卜气体入口冷却水下部金属层图用磁场线圈离子等离子体选择性锥度亥蚀的原理图技术的基本过程是首先采用普通各向异性千法刻蚀形成具有垂直侧壁的通孔然后根据溅射速率和入射角的相互关系把通孔的侧壁形成锥度如图样品所示的层和下部冷却水匹配盒荃片金属层浅射刻蚀开始于通孔上面拐角处为刻蚀离子是垂直入射到基片壁因故立即在侧发生端形成约的锥度在约的入射角处所示出现最高刻蚀速率入射角刀如图中的但当中图偏压等离子沐刻蚀装置的原理图时刻蚀速率几乎为零如图的〔所示换言之因为离子的选择性刻蚀故根本不刻蚀侧壁下端和下部的金属层缘故这可石日八日忍么划锵赢甲宝微波功率流速能是在金属表面的氧化和刻蚀达到平衡状态的因此当用。离子等离子体在预定时间层的浅射刻蚀后内完成通孔周围正如图乙曰扫用虚线指出的部分表明是经过刻蚀的用指出的倾斜表面区域是受改变刻蚀时间严格控制的部分值得注意的是用也同样被刻蚀火以指出的平直表面入射角为的一半洲妇一」阅俗一田闭心书砂杏一书冲场但因其刻蚀速率入射角约功率小于倾斜表面对所图用离子等离子体刻蚀速率随黝和几种金属的刻蚀层厚度的减少并无大的影功率的变化曲线响使用这种刻蚀技术由于二锥度角的关系利用和儿种金属在技术对用作和互联的使得通孔周围层金属化的台阶覆盖获得了显气体中进行了刻蚀速结果表明著的改进同样由于通孔下端的直径没有增大今故仃保持高的封装密度率随功率变化的试验用、离子几乎以同样速率刻蚀所有材料偏的薄金属层也被刻蚀掉孔锥度毫无实用性故用加之被刻蚀离子刻蚀通离技术的实际应用是通过附加比的议等离子体刻蚀装置刻蚀通孔周围的与此相反用刻蚀便只有图层能以相当高的速率进行刻蚀如的的集管来完成的极毗连的气体入的气体入口注入约“和气体经由与下电所示因为是在倾斜表面使用倍口导入气是通过磁场附近又功率进行测量故测量出来的刻蚀速率应为图晶片置于离开有效微波放电图中所示实测值的图这样高的刻蚀速率的位置中处理室的尺寸约是完全可以付诸实际应用的由调谐谐振腔设计的多极等离子谐振腔是用黄铜圆筒制成内径为示出互联产量与通孔数量的关系曲护体源提供线路一根电阻值的弦线经鉴定确认开,技术处理的时用的空腔腔内在其顶部为可调滑动短路器不论通孔数量如何不用而当通孔数量远远多于一根长度可变的激励探针经由谐振腔侧面进入它把微波能从磁控管波导装置加到抽成中产量为零技术处理的产量为果表明现象经用显微镜检验结真空的存有等离子体的石英容器内孔的弦线略有变坏的处理本身无关黄铜谐振腔位于大气中度稀土族磁体底板上装有的个高强磁场强度究其原因是由于粉尘和颗粒导致图形缺它产生。陷所致与根据弦线的用供谐振之用于空腔把可调谐振腔短潞器调节到对应单横的共振状态由一个良好滤波磁控管供给源的。一电阻值估算了通孔的接触电阻率小于义技经过计算是一种,术处理形成通孔的接触电阻率很低几的低波纹故可认为输入功率在整个工作过程中微波功率保持在功率对应于晶片上施加的获得高产量和高可靠性的亚微米多层互联布线的有效而实用的技术兀偏压值从零变化到‘。。卜’下一叹百’言尸因颐此器屯犷仁踵波输入探公水犷令却兀戏尺川诩育输入利用八谈长州锁定装载到自气一不用。阵牛一一月通孔数在两层互带曰泪义,一图制温吸不多极等离广下翻洲气介七政而图研究了在刻蚀型放电等离子体的刻蚀速率残余晶格损伤表面形、、态和化学组成与性质肤产耸与通孔材料采用两种类图用于测量刻蚀速率的半绝缘取向块状基片未挥杂数量的关系曲线和用于一和测量用、等离子体刻蚀几种材料基片的刻蚀特性为多极的在用型一一。’块状断掺杂基片测量时蒸发,用作肖特基接触而采图而图等离子体刻蚀系统的截合金作为基片背面的欧姆接触条件和附加偏压的川亡是一种锁定装载田几汁坤土控制全自在、偏压下刻蚀的功操作的自动装载定装载二系统洋品月手装到谈加的显示出十分平滑和无残余侧壁但在附然后转移川刻蚀室中的自动臂杆土飞、。放电中刻蚀分、该系统采用置上迭川敞波激励源和在品与位洲样品的件下、显微照片表明刻蚀是各向异性偏爪、蛋七、抽真空是湘一卜并且在侧壁底部略有钻蚀现象显示出在这些条一把处理室连接到涡轮分子泵的高竹呀班的优先损失到个相当浅的深度在表面却无明显的。的微滴高偏压条件下才观察到有较大的变化此外还进行了在加低温下对未刻蚀控制样品和附偏压刻蚀样品光致发光光谱的对在该光谱范围内未发现新的峰值刻蚀的少得多或比试验这些结果显示出等离子体刻蚀造成无序的样品和未圣中数量和深度都比普通用子光谱法了检验等离子体刻蚀的刻蚀控制样品用小面积高分辨率射线光电对近表面区域的主要组成进行结果表明两者的近表面组成无重大差图别但附加偏压的刻蚀样品降低了的干法刻蚀后检测最灵敏的方法之一电,族材料近表面损伤川浓度而以金属氧化物氢氧化物或碳氢化合刻蚀导致的电光的和是测量肖特基势垒高度这些参数可从物的形式出现根据二极管理想因数和光致发的浅得和二极管理想因数光测量结果表明用多下述关系式中的正向电流电压特性获得中不万光学的活性损伤远比用普通能量一”匕万万于一少式中数是电流密度是有效理查森常数和聚酞亚胺的刻蚀偏压是测试温度采用是电子电荷一是波耳兹曼常拌采用新型刻蚀装置刻蚀了参数分析仪记录了样品的电流电压特性和聚酞亚胺该装置是把用等离子体刻蚀处理后蒸发沉积中源装在普通的反应性离子刻蚀反应器上该构成图示出这种刻蚀装置的简图田它包括由微波电源结合的和两部分肖特基接触的量了附加的。或。特性与典型的二极管方程式相吻合偏压在,进一步测源和两个电磁体和放电中刻蚀肖偏压之间设有一个磁镜型样品上制作的微波频率最大功率容量微特基二极管的特性该特性与湿法刻蚀控制样品的特性基本相同而只有附加刻蚀的样品观察到较小的变化基二极管的正向的理想因数,波功率使用模的波导藕合器经由石英或氧化铝兰宝石窗口馈入己源窗口设置在最大磁场强度的位置的和另外图示即在出了在上述同样条件下制作的肖特条件下条件下需要的磁场强度为当特性曲线在而附加和一电磁体在其最大功率电平工作时只有合成二极管具有的势垒高度和偏压导致二极管的之内中。一控制样品和刻蚀材料的这些差别都在测量精度范围采用光致发光测量的残余损伤残余损伤在附加义刻蚀过程中引入一‘以便监控干法刻蚀工艺过程中的从型一曝露。或放电中偏压的下获得的光致图偏压刻蚀装置简图发光光谱的结果表明光致发光强度只有在最在源中存在三个共振区然而几乎全部压的增加而减少的缘故着气压的增加也减少碰撞所造成离子能和电子温度随偏压功微波功率都被第一共振区吸收当微波功率为这是因为和原子团更多时第一共振区的功率密度约为设置在基片处的刻蚀速率也随着第三个电磁体率增加而增加室的周围和和以适应晶片对磁场的需要在加电磁体中的最大电流分别为八产沉之川洲一兰铸刻蚀装置的轴是水平取向以降低晶片表面的污物颗粒沉积源内用阳极化铝衬垫其直径为衬垫是用来减少源内部产生的不锈钢杂质安放在装有上源的长度为和的功率室的直径和长度分别为晶片并用水冷却的电极当刻蚀丫的图丁叨微波功率该电极能产生高达刻蚀速率随着微波功率的变化曲线类似有机物的抗蚀剂或聚酸亚胺时法粘接到电极上以获得晶片用热并联使用和卫通“两台涡轮分子泵气流速率为几十个时可气”的气压气流速率保持在或更高以避免注入的气体耗尽并已观察到气流速度低于容流体压力计进行的蚀前后膜厚之差计算时将影响刻蚀速率气压测量是采用正好位于室下方的磁屏蔽电景图‘。刻蚀速度是根据定时刻刻蚀均匀性是用晶片的偏图二…气压刻蚀速率随着一中心至边缘线上准偏离压蚀特性个位置的平均速率的百分标凡气压的变化曲线来表达的下面分别叙述采用刻蚀装置刻蚀的刻蚀特性的刻蚀特性示出气流速率和无附加和聚酞亚胺的刻微波功率。偏压条件的准直束和扩张束等离子体刻蚀的刻蚀速率随着的刻蚀速率和气压的在流速率偏压功率气压和气的变化曲线可以看出一样强条件下在等离子体中这可能是当微波功由于附加第三个磁体而获得了极大的加的刻蚀速率随着输入微波功率的增加而单调地上升率增加时但是两者的刻蚀速率与气压的关系仍有。如图所示差别的刻蚀速率在附近增加到最大由于峰值离子能电流密度和电子值后随着气压的继续增加而急剧下降可以温度增加所造成的结果到饱和条件因为功率电平不能达认为初始的增加是由于气压增加而促进了化学刻蚀的加强因为可以利用更多的氟原子团的故可使用较大的微波电源来提高电磁体中的电流会增大刻刻蚀速率压功率图增加关系得但在较高气压下由于离子电流下降使蚀速率和跨越晶片的百分标准偏离流速在偏如的刻蚀速率与刻蚀一样随着气压的刻蚀样品的条件下进一步增加而迅速下降显微照片揭示现有任何较大的影响的刻蚀速率随着气压的增加而迅速地下降所示在上述条件下对图形尺寸未发可以认为这是由于离子电流随着气’连﹁八日色深京划补子圈崔姿挑烈翩外沈﹁已访︶舀︸扩张束“舀。‘扣长注,」。气压图功率‘聚酞亚胺的刻蚀特性聚酞亚胺是一种性能优良图聚酸亚胺的刻蚀速率随功率的变化曲线用途广泛的高上升如图所示在的条件下等离子。分子聚合物它既可用作涂覆材料钝化材料体束是全部准直和纯氧的气压为的条件下写在。包封材料和粘结材料又可用作夹层介质基等离子体束是向外扩张和潇片和多层互联中的绝缘介质料因此聚酞亚胺的气压为此外在、的条是制作半导体器件和混合集成电路的重要材因而对它的刻蚀工艺的研究十分重要件下其所以获得较高刻蚀速率的原因因为在应归、图功于等离子体束的准直刻蚀速率并无影响的条件下而添加示出下述两种不同条件下聚酸亚胺的刻蚀较高气压只应该增强刻蚀速率讨速率随着气压的变化曲线束准直等离子体气流速率。。功率和微和多晶硅结构的刻蚀特性波功率为工扩张等离子体束近年来采用难熔金属和金属硅化物取代肛总气流速率为功率大量掺杂多晶硅作门电极和在化物半导体互联金属氧微波功率两种条件下刻蚀速率技术结构中的多层随着气压增加达到最大值后立即迅速下降初以其具有低电阻率和在典型的处理温度始刻蚀速率的增加造成的结果可以认为是随着气压的增范围内的稳定性越来越显得重要最普遍的多晶硅钨加促进了化学刻蚀的增大和原子团的较高密度尔后刻蚀速率随着气压增加而下结构是用金属硅化物覆盖掺磷的多晶硅构成称为的门电极材料结构于是特别是降或许是由于等离子体密度离子能和电子结构是众所周知的电路最有用温度因为和原子团更多碰撞而减少之故亚胺的刻蚀速率随着聚酞减少干法刻蚀阶段的临功率的增加而单调地界尺寸损耗成为关键因为这些特征决定着的沟道长度︸己舀刃汉彬椒洲︸于聋井而且在不久的将来讨于电路中的门电极绝缘体必将使用小卜厂叮一极薄的的蚀薄膜因此为了抑制很薄的界面层的损伤以及避免降低薄的门氧化物膜的厚度必须要求远大于刻倍的高刻蚀选择性比代一一‘一二。为了利用低的离子能同时实现高度选择性高刻蚀速率和各向异性刻蚀多晶硅压结构研制成一种新的等离子体刻蚀系等离户体图聚酞亚胺的刻蚀速率随气压的变化曲线统闹该系统与图所示的偏压刻蚀装置大致相同它是由等离子体室辅助室主磁场线圈副磁场线圈基片架波导段微波发生器真空系统和供气系统等构成等离子体室的直径为中或的微波多晶硅基片会自动转移到基片架土主磁场线圈设烈赢划研︸日。一一一置在围绕等离子体室的周围副磁场线圈围绕辅助室的周围由于附加的副磁场使得主磁场的发散被校正和准直主磁场和副磁场线圈的电流分别为和位置与的的磁场强度相对应基片位置设置口。一一。在等离子体室的位置基片温度控制在刁。一一沉积。一刻蚀不用偏压功率使用含有少量气体混合物的氯基等离子体并通过基片温度℃气体喷嘴注入等离子体室按照普通的干法刻蚀系统采用氯基等离子体刻蚀多晶硅图多晶硅结构和的刻蚀速率结构会造成低刻蚀速率以及多晶硅间界随基片温度的变化曲线上的中空分布但是在本系统中多晶硅选择性比约为。故在位置有高的结构在位置的刻蚀速率远大于刻蚀速率和极高的刻蚀选择性比这种高的刻并实现了不用偏压功率的各向异性刻蚀选择性比可能是由于高的离子电流密度和面蚀分布同时获得了多晶硅结构刻蚀对对的低离子能所致离子只被等离刻蚀的精确选择性这些优良的刻蚀特性子体和基片架之间的负电位加速电子则被发可以归功于准直的场磁高离子电流密度和均散磁场产生的负电位加速所以位置的匀的离子电流因此这种刻蚀技术将成为诸负电位与普通等离子体刻蚀相比是减少如魂比特的的多晶硅了图示出在位置上的多晶硅结构刻蚀最有应用前景的竞争者结构和的刻蚀速率与基片温度的依赖关研究了用等离子体刻蚀位置上系由图可见多晶硅结构刻蚀速率在的多晶硅结构薄膜的刻蚀特性首先在一范围内无变化然而基片温度低于中的硅基片上形成厚度的热氧时停止刻蚀这似乎是由于钨的刻蚀产品化物膜其次采用低压化学气相沉积在热氧在基片温度小于℃范围内造成沉积的缘故化物膜上沉积厚度的多晶硅膜多晶硅这种多晶硅结构在基片温度时刻膜中掺杂磷在多晶硅膜上溅射厚的钨蚀速率下跌揭示对化学反应阶段或刻蚀机理变硅化合物采用光致抗蚀剂作刻蚀掩模刻蚀化有一个阂值气体为。气体混合物刻蚀气压从图示出在上述位置的同样条件火。一“一又’微波功率固定在伙下多晶硅结构刻蚀分布的锥度角随着多晶硅结构在气压为一的基片温度的变化曲线该结构刻蚀分布在基片纯氯放电中刻蚀氯气流速率为当基温度时在和多晶硅的间界上出现中片温度固定在时在位置上的刻蚀空现象降低基片温度到可以完全消除中速率为对刻蚀的刻蚀选择性空这些结果明显的表明由于原子团导致的比约为但在普通等离子体刻蚀系统侧壁反应被降低基片温度所抑制但是在中只用氯气的刻蚀速率小于刻蚀以下刻蚀后发现多晶硅结构图形附近存在余渣这种余渣可能是由于钨氯化物在低气压下的沉积有关可在。是一种获得高产量种新型高可靠性的微细多在氯气中添加少量的层互联布线有效而实用的技术至于本文对几可以有效地防止或消除刻蚀余渣此外还气体混合物中添加少量的等离子体刻蚀技术以及利用它们这些可刻蚀几种薄膜和半导体基片的特性表明以有效地改进位置上的刻蚀选择性新技术比传统的反应性离子刻蚀和反应性离子束刻蚀损伤。比︶‘等技术具有低污染低高刻蚀速率和高度选择性的各向异性刻蚀等优点可以预计这些技术在今后的半导体器件生产中将会越来越发挥其重要的作用抗蚀剂︸仇氏卫此外展刻蚀技术还在不断地向新的方向发为了弥补在低离子能刻蚀中各向异性的最近报道有人在负几十度以下的低温下多晶硅不足℃进行刻蚀工艺的研究基片温度心锣在低温下没有离子冲击侧壁空也不会由于原子团产生刻蚀反应故可确保高度的各向异性刻蚀’还有报道作为高真低损伤和高度选择性刻蚀有人进行了不使用等离子体而用等的高温高速的分子流进行刻蚀的研究虽然刻蚀速率较低每分钟只有几个图但可获得多晶硅刻蚀对刻蚀以上的选择性比当然这些技结束语根据本文以上所述可以看出术还处于探索阶段在用参久保田正文工卜考文献的亚微米多层互联布线制作中采用离子体的锥度刻蚀通孔技术〔离子等不仅显夕卜口二夕又著地改进通孔周围上层金属化的台阶覆盖保故二持高的封装密度而且还可形成良好形貌的通孔和获得小的通孔层间的接触电阻上接云振新页参英国考文献集半导体表面安装器件的现状与开发建议公司表面安装技术面实装技术实践电子元件与材料编辑部电子元件与材料片式元件专内部资料二工了沙辑卜于二少又久保田公孝等电子元件与材料编辑部专辑电子元件与材料表面组装技术夕技术月号别册付录中国电子学会表面安装技术与片式元器件学术研讨会文