氮化钽金属薄膜干法刻蚀的研究

论文摘要

氮化钽薄膜在微电子工艺中的应用比较广泛：在标准CMOS后道的铜互连技术中,作为阻挡层被应用；由于氮化钽与高K介质的良好兼容性,在45nm以下CMOS工艺中,正在被开发作为金属栅极材料；在EUV光刻中,氮化钽被研究来用作吸收层。在新近的MEMS应用中,氮化钽薄膜已经被证实可以用作MEMS微桥结构的电连接材料,但是目前应用于MEMS的氮化钽刻蚀的研究非常少。本课题研究的是基于非制冷红外热成像阵列的MEMS产品应用的氮化钽干法刻蚀工艺开发。该产品应用非晶硅作为热敏材料,由于其具有较高的热电阻温度系数,在受到红外辐射后,有明显的电阻变化,通过衬底读出电路将阵列内各单元的电阻变化率转换为图像输出。在这样的一个产品中,对用于信号传输的电极要求有很好的热稳定性,并且具有很低的热电阻温度系数,氮化钽由于在这两方面的良好特性,可以作为电极候选材料应用到该产品中。氮化钽作为电极材料,在非晶硅图形化后淀积上去,其经过刻蚀图形化后起到定义电阻图形的作用,因此,氮化钽的刻蚀是产品开发中非常关键的步骤,其要求对侧壁形貌以及下层衬底的损失量都具有良好的控制。本课题基于应用材料的Centura机台对氮化钽薄膜进行图形化开发,采用CHF3/CF4作为刻蚀气体,评估了射频功率、工艺腔压力、气体流量等工艺参数对刻蚀性能的影响,优化后的工艺菜单对下层衬底的Si及Si02的损失量具有较好的控制。在氮化钽刻蚀过程中,容易产生残留,在建立了刻蚀残留物产生机制的模型后,通过去胶菜单的优化,在去胶过程中加入CF4处理,解决了残留的问题。最后,在集成流片中通过电学测试结果对刻蚀效果进行了验证,并且分析了衬底条件对刻蚀效果的影响。氮化钽的刻蚀菜单和去胶菜单最终成功运用到MEMS产品中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 氮化钽薄膜的应用
• 1.1.1 铜互连中的应用
• 1.1.2 金属电阻/电容的应用
• 1.1.3 金属栅极的应用
• 1.1.4 EUV光刻吸收层的应用
• 1.2 课题研究意义和内容
• 第二章 干法刻蚀的基本原理及应用
• 2.1 引言
• 2.2 干法刻蚀原理
• 2.2.1 等离子体
• 2.2.2 等离子体的产生和维持
• 2.2.3 刻蚀的基本原理
• 2.2.4 刻蚀的形貌控制机制
• 2.3 刻蚀气体的应用
• 第三章 氮化钽薄膜干法刻蚀模块工艺建立及其优化
• 3.1 引言
• 3.1.1 工艺开发要求
• 3.1.2 实验机台简介
• 3.1.3 样品设计
• 3.2 主刻蚀工艺的开发
• 3.2.1 功率和压力对刻蚀的影响
• 3.2.2 气体流量对刻蚀速率的影响
• 3.2.3 各工艺参数影响原因分析
• 3.2.4 在光片上进行刻蚀速率的验证
• 3.2.5 刻蚀速率在图形片上的验证
• 3.2.6 a-Si损失量的确认
• 3.3 过刻蚀工艺的开发
• 3.3.1 过刻蚀对a-Si损失量的确认
• 3.3.2 在光片上进行过刻蚀工艺对不同衬底刻蚀速率的验证
• 3.4 刻蚀残留物的去除
• 3.4.1 残留物成分及产生原因分析
• 3.4.2 defence工艺的开发
• 3.4.3 在光片上进行defence工艺刻蚀速率的验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 在集成流片中的工艺验证
• 4.1 引言
• 4.2 电学测试结果
• 4.2.1 带有PVD Pre-clean处理的样品测试结果
• 4.2.2 无PVD Pre-clean处理的样品测试结果
• 4.3 样品测试结果机理分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结
• 5.1 全文总结及结论
• 5.2 进一步需要优化的问题
• 参考文献
• 致谢