等離子體刻蝕的原理

1. Plasma：廣泛應(yīng)用而又復(fù)雜的物理過程

等離子體刻蝕在集成電路制造中已有40余年的發(fā)展歷程，自70年代引入用于去膠，80年代成為集成電路領(lǐng)域成熟的刻蝕技術(shù)?？涛g采用的等離子體源常見的有容性耦合等離子體(CCP-capacitively coupled plasma)、感應(yīng)耦合等離子體ICP(Inductively coupled plasma)和微波ECR 等離子體(microwave electron cyclotron resonance plasma) 等。除刻蝕外，等離子體技術(shù)也成功的應(yīng)用于其他半導(dǎo)體制程，如濺射和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)。當(dāng)然鑒于plasma豐富的活性粒子，plasma也廣泛應(yīng)用于其他非半導(dǎo)體領(lǐng)域，如空氣凈化，廢物處理等。

圖1 一種容性耦合等離子體放電現(xiàn)象

2.容性耦合等離子體(CCP)

等離子體是部分離化的中性氣體，在等離子體中自由電子與中性分子，原子進(jìn)行碰撞，通過碰撞電離，進(jìn)一步得到更多的電子和離子?；陔娮拥哪芰浚梢垣@得更豐富的離子，激發(fā)態(tài)高能中性粒子等，同時由于電子吸附在中性氣體表面還可獲得負(fù)離子。由于每種氣體在原子分子物理學(xué)中有各自的能級結(jié)構(gòu)，故高能電子可以將氣體激發(fā)到不同的能級上，當(dāng)氣體分子、原子從高能級向低能級回遷時將會輻射出不同能量的光子，不同能量的光子代表了不同的波長，通過分析光譜我們可以有效地分析等離子體的刻蝕過程。該分析診斷過程常被用于半導(dǎo)體制造中的EDP監(jiān)測。

圖2 等離子體中的激發(fā)碰撞與光譜輻射

容性耦合等離子體源典型的腔室結(jié)構(gòu)如下圖。功率加載到上下電極上，通常頻率為13.56MHZ。所謂的暗鞘層將在所有器壁表面形成，暗鞘層常被認(rèn)為是絕緣體或電容，因此可以認(rèn)為功率通過一個電容器轉(zhuǎn)移至等離子體。

圖3 常用CCP源的腔室結(jié)構(gòu)

在頻率為1MHz和100MHz之間，自由電子可以伴隨電場的變化獲得能量，離子由于質(zhì)量較重，往往不會伴隨變化的電場運(yùn)動。

容性耦合等離子體放電氣壓范圍往往從幾個毫托到幾百毫托，因為電子質(zhì)量遠(yuǎn)低于離子質(zhì)量，電子可以運(yùn)動更遠(yuǎn)更長的距離并與氣體和器壁進(jìn)行碰撞，電離出更多的電子和離子。而器壁周圍因為電子游離只留下笨重的離子，但整個腔室必須保證電中性，故必然會在器壁形成一種結(jié)構(gòu)來阻擋電子繼續(xù)在器壁周圍的電離，而這種結(jié)構(gòu)平衡了等離子體的電中性特性。這種結(jié)構(gòu)即鞘層，鞘層可認(rèn)為前面所說的電容器，因為電容器處于放電環(huán)境中，表面有電荷積累，就形成了一個電場，一個電場必然對應(yīng)一個電壓，因為電容器周圍達(dá)到的電荷積累動態(tài)平衡，故這個電場，電壓為動態(tài)的靜電場，即直流電場和直流電壓，故VDC形成。因為腔室內(nèi)壁接地，而形成的偏壓電場為阻止電子，故對地內(nèi)壁而言此VDC為負(fù)值，即負(fù)偏壓。在電極上此負(fù)偏壓與射頻電壓一起形成了復(fù)合電壓，如下圖。

圖4 DC和AC在電極上的波形

3.刻蝕機(jī)制

刻蝕機(jī)理的解釋適用于所有類型的等離子體技術(shù)，不局限于RIE。

通常，等離子體刻蝕是化學(xué)刻蝕，不是物理刻蝕，這意味著固體原子與氣體原子反應(yīng)形成化學(xué)分子，然后從基片表面移除形成刻蝕。因為VDC的存在，通常存在一定的基片濺射，對于大量的刻蝕，物理刻蝕效應(yīng)很弱可以被忽略。

幾個主要的刻蝕過程為：

1. 形成反應(yīng)粒子；

2. 反應(yīng)粒子到達(dá)被處理材料的表面并被吸附；

3. 被處理材料表面化學(xué)吸附反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，并形成反應(yīng)產(chǎn)物；

4. 解吸附化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，并在被處理材料表面移除，抽離腔室；

圖5 等離子體刻蝕基本機(jī)制

4. VDC 對刻蝕的影響

1.刻蝕速率，因為電子密度和能量與VDC相關(guān)聯(lián)，故以上的化學(xué)反應(yīng)過程與速率相對應(yīng)；

2.離子轟擊可以造成Wafer表面的建設(shè)損傷；而離子轟擊的能量與VDC相關(guān),VDC越高轟擊越強(qiáng)；

3.離子轟擊還會對刻蝕形貌有一定的影響等等

4.對于非易揮發(fā)性副產(chǎn)物，通過一定的離子轟擊可以將副產(chǎn)物解離形成易揮發(fā)性產(chǎn)物，使本身在易在Wafer表面已形成的膜層消失；

對于VDC主要會加速離子對被處理材料表面的作用，根據(jù)不同的工藝需求，調(diào)節(jié)VDC可以調(diào)節(jié)對被處理材料的刻蝕。

圖6 離子轟擊作用

5.感應(yīng)耦合等離子體(ICP)

兩種類型的感應(yīng)耦合等離子體源：采用柱形和平面結(jié)構(gòu)，如圖7所示。射頻電流流經(jīng)線圈在腔室內(nèi)產(chǎn)生電磁場激發(fā)氣體產(chǎn)生等離子體，偏壓源控制離子轟擊能量。通過這種方式，可以獨(dú)立的控制等離子體密度和離子的轟擊能量。因此ICP刻蝕機(jī)提供了更多的調(diào)控手段。

圖7 兩種方式的ICP結(jié)構(gòu)

用于等離子體刻蝕的ICP源通常為平面結(jié)構(gòu)，該方式容易獲得可調(diào)的等離子體密度和等離子體均勻性分布，此外平面ICP源使用的介質(zhì)窗也易于加工。石英和陶瓷是常用的介質(zhì)窗材料。

此外感應(yīng)耦合ICP源也存在容性耦合，介質(zhì)窗作為線圈和等離子體之間的耦合層是作為一個電容器存在，在線圈的輸出端電壓達(dá)到2000V時，容性耦合將會形成。這個容性高壓可以點(diǎn)燃和維持等離子體放電，另一方面，局部高壓的形成也會導(dǎo)致介質(zhì)窗的刻蝕，導(dǎo)致顆粒的產(chǎn)生或者造成晶圓的污染。為了減小容性耦合，通常采用法拉第屏蔽或者在線圈末端串聯(lián)接地電容的方式。

圖8 一種法拉第屏蔽ICP源結(jié)構(gòu)