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低温等离子体蚀刻机技术混沌之初

低温等离子体蚀刻机是确保集成电路制造产品质量和技术先进性的重要工艺之一,涵盖了光刻胶改性、施膜图形准确复制到品圆晶圆纵深方向上各种复杂结构成型、材料表面的刘后处理(残余材料去除、要合物遺理、表面改性、去氧化、电荷释放)等功图1.3总结了低温等离子体蚀刻技术过去近半个世纪的发展历程和目前最先进逻辑、存储器制程、微处理器中各种可工业化的蚀刻技术。20世纪60年代集成电路制造关键技术湿法蚀刻存在化学药品浪费、废料处理、无法蚀刻氮化硅(芯片面层化保护)等问题,为了解决这些问题,最初的低温等离子体蚀刻技术的出现是1968年艾文(S.M. Irving)开始利用氧气等离子体进行光刻胶灰化。因此低温等离子体蚀刻又称干法蚀刻(也称电浆蚀刻)以有别于湿法蚀刻。1969年艾文申请了利用CF4等离子进行等离子体蚀刻的专利(US361596),第一个设计了圆筒形低温等离子体电感耦合式光刻胶灰化反应器,并于1972年申请了美国专利(US3837856)。1972年艾德雅格布( Adir Jacob)申请了多个在圆简形蚀刻机中利用CF4和O2进行蚀刻的专利(US3795557)。时至今日,等离子体灰化方式依然在最先进制程中被广泛采用,不过已经不再局限于氢气,氧气、氯气、氢气、氢气体等都被使用于保证光刻的无现余去除,当然,湿法蚀刻在一些特殊成型制程中至今依然发择着其独特的作用,例如45nm逻辑制程开始引人的西格玛形状的储硅沟槽、LED中的硅基板54.7"成型以及金属催化湿法定向蚀刻(MetlAssisted Chemical Etch)等


第一个“平行板”型等离子体蚀刻机(A-24D)由美国德州仪器公司( Texas Instruments)的瑞恩伯格( Alan Reinberg)设计并于1971年申请专利(US3757733,这种腔体设计是目前各种先进蚀刻机台腔体的鼻祖(见图1.3)。其莲蓬头式上电极设计在所有先进等离子体机台腔体中仍得以保留。受到瑞恩伯格的启发,他的同事张( Christopher Chang,美国南加州大学博士)成功地把铝蚀刻由湿法蚀刻转换到瑞恩伯格的平行板等离子体蚀刻机。此外,A-24D在实际应用中遇到的尘粒问题因瑞恩伯格的同事沈其昌(C.C.Shen,美国康奈尔大学博士,中芯国际公司成立之初曾任技术研发中心顾问)提出的腔体壁加热设过得以解迷:早期等离子体蚀刻以各向同性为主,直到1973年,美国惠普公司的穆托山( Steven Y.Muto)用CF4、SF和CCl2F2实现了第一个真正各向异性(以垂直蚀刻为主)的等离子体蚀刻(US3971684)。1975年英国的亨内克( Rudolf A.H. Heinecke)提出在CF2中掺入H2或者CFCF、CHF,来提高硅对于二氧化硅蚀刻时的选择比。常说的反应离子蚀刻(RIE)就是平行板反应器上电极接地仅依赖下电极输入13.56MHz射频电源来电容式激发等离子体。“平行板”型商业化机台一一等离子体1号( Plasma1),由美国应用材料公司的勒斯勒尔( Richard Rosler)在1976年推出。该公司的王宁国博士在1983年因 Hexode- Type RIE机台设计获得了该年度半导体国际奖。高深宽比的垂直硅侧壁图形的实现则直到1988年德州仪器公司的道格拉斯( MonteDouglas)在硅蚀刻气体中引入HBr(US4855017)方得到成功。时至今日(14nm及以下),HBr依然在硅蚀刻保形中发挥着重要作用。RIE机台在20世纪80年代是业界主力机台,也是20世纪90年代3大主流机台的前身可以看到,等离子体蚀刻技术诞生后的十余年,里程碑式的技术大多出自美国公司。相应的理论研究如雨后春笋般地在美国高校展开。加州大学伯克利分校电子工程研究生院的利伯

曼( Michael A, Lieberman)教授可谓泰斗级人物。1966年他博士毕业于麻省理工学院,曾发表170多篇有关等离子体、等离子体材料处理和非线性动力学方面的研究论文。所著的(等离子体放电原理与材料处理》一书由清华大学蒲以康教授在2007年翻译成中文发表,此书堪称等离子体“圣经”。2008年10月,利伯曼教授在中国科学院力学研究所开课讲授等离子体放电原理。前中芯国际公司研发副总裁吴汉明博士于20世纪90年代初曾在美国加州大学伯克利分校半导体等离子体工艺专业做博士后,研发了世界上第一套可以进行等离子体工艺模拟的商业软件并得到广泛使用。另外一位贡献卓著的是现任密歇根大学教投的库什纳(Mark. Kushner)博士,他1979年博士毕业于加州理工大学,教职生涯起步于伊利诺伊大学香核分校(1986),发表过近300篇等离子体技术及应用的研究论文。1994年提出了二维混合等离子设备模型(HPEM),并在196年扩展为三维版本。其近期研究内容涉及脉冲电感合蚀刻机台的模拟。此外,美国体斯教大学伊科诺谋( Demetre J. Economou)教投在等离子体蚀刻机台方面近30年的研究也是独树一帜。他1986年在伊利诺伊大学香槟分校获得博士学位,1995年开发出二维模块化电感合等离子体反应器模拟器 MPRES):2003年当选美国真空协会会士( fellow)).201年提出图1.3中在同步脉冲ICP机台上加人异步真流冲的技本(Sxnpulsing +DC pulsing),其可调节的敛的离子能量分布使植面控使刻选比的提高子层级别列(ALD)成为可能,2014年夏发表主题综述文章关于脉冲等离子体刻在半导体生产中的应该技术也是3位巨壁(英特尔公司、三星公司、台积电公司)2016年末争存10nm鳍式晶体管制造技术节点领头羊地位的必备攻坚利器。2013年休斯教大学唐奈利( Vincent M. Donnelly教授发表的长达40多页的综述文章《等离子体蚀刻的过去、现在和未来》”亦值得一读,其中不仅有蚀刻机台进化史,还有具体逻辑工艺重要蚀刻步骤的介绍以及对未来新材料、新结构相关蚀刻技术的展望。美国马里兰大学奥尔雷因( Gottlieb SOehrlein)教投2015年综述了在10nm以下技术节点ALE蚀刻的迫切性、重要性以及该技术未来业界应用将面临的挑战。同期,美国泛林半导体公司也单独发表了AL.E在半导体行业应用前景的综述,呼呼高校和工业界更紧密地联合以实现ALE方面质的飞跃。