半导体制程技术导论Chapter-7等离子体工艺

1、1Chapter 7 等离子体的根底原理.2目的列出至少三种运用等离子体的IC制程列出等离子体中重要的三种碰撞描画平均自在程解释等离子体在蚀刻和化学气相堆积制程的益处说出至少两种高密度等离子体系统.3讨论的主题什么是等离子体?为什么运用等离子体?离子轰击等离子体制程的运用 .4等离子体制程的运用 化学气相堆积蚀刻物理气相堆积离子注入光刻胶剥除制程反响室的的干式清洗.5等离子体是什么?具有等量的正电荷和负电荷的离子气体更准确的定义:等离子体就是具有等量带电性与中性粒子的气体，等离子体本身就是这些例子的集体行为例如太陽,电弧等.6等离子体的成分等离子体是由中性原子或分子、负电(电子)和正电(离子)

2、所构成准-中性: ni ne离化率: h ne/(ne+nn).7离化率离化率主要受等离子体中的电子能量决议大部分等离子体制程反响室，等离子体的离化率小于0.001%.高密度等离子体源有较高的离化率,约 1%太阳中心的离化率约100%.8中性气体密度理想气体1摩尔 = 22.4 升 = 2.24104 cm31摩尔 = 6.621023 个分子 大气压下的气体密度是2.961019 cm3托的气体密度是 3.891016 cm3毫托的气体密度是 3.891013 cm3射频等离子体源有非常低的离化率.9等离子体的产生需求借助外界的能量射頻 (RF)电能是最常运用的电源产生一个稳定的射频等离子体

3、需求真空系统等离子体射频功率暗区或鞘层电极至真空泵平行板等离子体系统.10离子化e- + AA+ + 2 e-游离碰撞产生电子和离子维持等离子体的稳定电子和中性原子或分子碰撞把轨道电子敲离核的束缚.11离子化的阐明自在电子入射撞击轨道电子两个自在电子轨道电子原子核原子核.12激发松弛e- + AA* + e-A* A +hn (光)不同的原子/分子有不同的频率,也就是为什么不同的气领会发出不同的颜色.侦测等离子体的发光变化来决议蚀刻和化学气相堆积反响室清洁步骤的终端点(endpoint).13激发碰撞入射撞击电子基态电子激态电子原子核原子核撞击电子.14松弛基态hnhnh:普朗克常数n:光的频

4、率激发态.15分解电子和分子碰撞，可以打断化学键并产生自在基: e- + AB A + B + e-自在基至少有一个未成对电子，化学上是容易起反响的.添加化学反响速率对蚀刻和化学气相堆积制程非常重要.16分解ABe-Be-A分子自在基.17等离子体蚀刻氧化物蚀刻制程，在等离子体中运用CF4 产生氟(F)的自在基e- + CF4 CF3 + F + e-4F + SiO2 SiF4 + 2O增进蚀刻制程的化学反响.18等离子体增进化学气相堆积化学反响PECVD氧化物的制程用硅烷和N2O (笑气)e- + SiH4 SiH2 + 2H + e-e- +N2O N2 + O + e-SiH2 + 3

5、O SiO2 +H2O等离子体增进化学反响在相对低温下，PECVD可达高的堆积速率.19问与答为何在铜和铝的溅镀制程中，分解碰撞并不重要?铝和铜的溅镀制程中仅运用惰性气体氩气。和其他气体不同的是，惰性气体是以原子而非分子的方式存在，因此在氩气等离子体中并不会产生分解碰撞.20问与答在PVD制程中有分解碰撞吗?有，在氮化钛(TiN)的堆积中，会用到氩气(Ar)和氮气(N2)。在等离子体中，氮气会被分解而产生自在基N，而自在基N又会和钛产生反响而在钛靶外表构成氮化钛，Ar+离子那么会把氮化钛分子从钛靶外表溅射出来而使之堆积在晶圆外表.21表7.1 硅烷的分解.22问与答表7.1中哪种碰撞最有能够发

6、生?为什么?需求最少能量的碰撞便是最有能够发生的碰撞.23平均自在程 (MFP)粒子和粒子碰撞前可以挪动的平均间隔.n是粒子的密度s 是粒子的碰撞截面.24平均自在程阐明大粒子小粒子大粒子小粒子(a)(b).25平均自在程 (MFP)压力的影响压力越高, 平均自在程越短压力越低, 平均自在程越长.26问与答为何需求用到一个真空反响室来产生稳定的等离子体?电子在大气压 (760托)的形状下的平均自在程很短，电子很难去获取足够的能量使气体离子化.在一个极度强大的电场下，等离子领会构成弧光(arcing,像是闪电一样)的型态，而非稳定的辉光放电 (glow discharge).27带电粒子的挪动电

7、子质量远小于离子me mime:mH =1:1836电子和离子具一样的电力F = qE电子有较高的加速度a = F/m.28带电粒子的挪动射频电场变化的非常快，电子可以快速的加速且开场碰撞，离子太重无法立刻对交流的电场作出反响由于离子的碰撞截面较大所以有较多的碰撞，也因此减缓离子的运动速度在等离子体中电子挪动的较离子快很多.29热速度电子热速度v = (kTe/me)1/2射频等离子体,Te 约 2eVve 5.93107 cm/sec = 1.33107 mph.30磁力和螺旋运动磁力作用在一个带电粒子上:F = qvB磁力总是垂直粒子的速度带电粒子沿着磁场线螺旋状旋绕.螺旋运动(Gyro-

8、motion).31螺旋运动带电粒子轨迹磁力线.32螺旋转动频率磁场中的带电粒子作螺旋运动环绕磁场线的频率.33螺旋转动半径在磁场中带电粒子的盘旋半徑,r, 可以下式表示:r = v/W.34能量,Ef(E)2 - 3eV具有足够离子化能量的电子玻尔兹曼分布.35离子轰击当等离子体制程开场后，任何接近等离子体的东西都会产生离子轰击对于溅镀、蚀刻和等离子体加强式化学气相堆积非常重要主要受射频功率供应影响压力也会影响轰击.36离子轰击电子挪动比离子快很多电子首先到达电极和反响室墙边电极带负电，排斥电子，吸引离子.鞘极(sheath)电位差会加速离子朝向电极挪动，并呵斥离子轰擊.离子轰击对溅镀、蚀刻

9、和等离子体加强式化学气相堆积非常重要.37鞘层电位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+鞘层区VpVfx暗区大量等离子体鞘层电位电极.38离子轰击的运用协助如何到达非等向性蚀刻轮廓损伤机制阻绝机制氩溅镀缝补缝隙的介电质蚀刻金属堆积协助控制PECVD制程中薄膜的应力较重的离子轰击，薄膜遭到的压应力越大.39直流偏压和射频功率的关系时间电压(伏特)直流偏压射频电位等离子体电位.40直流

10、偏压和射频功率0时间等离子体电位0时间等离子体电位直流偏压射频电位直流偏压较低的射频功率 较小的直流偏压 较高的射频功率 较大的直流偏压.41离子轰击离子能量离子密度两者受射频功率控制.42离子轰击控制添加射频功率、添加直流偏压，那么离子密度也添加.离子密度和离子轰击能量都受射频功率控制.射频功率是控制离子轰击最重要的把手射频功率也用来做为加强式化学气相堆积制程薄膜应力的控制.43化学气相堆积反响室等离子体的直流偏压Vp = 10- 20V射频热电极接地电极暗区或鞘层区域.44蚀刻反响室等离子体的直流偏压直流偏压0时间晶圆电位等离子体电位自偏压.45蚀刻反响室等离子体的直流偏压V2A2A1V1

11、/V2 =(A2/A1)V1 = 200到 1000V4直流偏压V1.46问与答假设电击的面积比例为1:3，试问直流偏压和自偏压之间的差值为何?直流偏压是V1,自偏压是V1 - V2,因此,他们的差值是V1 - (V1 - V2)/V1 =V2/V1 = (A1/A2)4 = (1/3)4 = 1/81 = 1.23%.47问与答我们能否可以在等离子体中插入金属探针来丈量等离子体电位V2?可以，但是当探针接近等离子体时，它会遭到电子快速挪动的影响而带负电，并在其外表和巨体等离子体间构成鞘层电位。因此丈量的结果端视于鞘层电位的实际方式，但是这实际方式至今尚未完全开展完备.48离子轰击和电极尺寸越

12、小的电极就会有较大的鞘层电压，因此能产生较高能量的离子轰击大多数的蚀刻反响室将晶圆放在较小的射频热电极.49运用等离子体的优点IC消费线的等离子体制程:等离子体加强式化学气相堆积化学气相堆积反响室的干式清洗等离子体蚀刻物理气相堆积离子注入.50化学气相堆积制程运用等离子体的益处相对较低的温度有较高的堆积速率.独立的薄膜应力控制反响室干式清洗.51PECVD和LPCVD的比较.52高密度等离子体化学气相堆积间隙填充同时堆积和溅镀间隙的开口逐渐变细金属线之间的间隙从底部填充上来.530.25 mm, A/R 4:1高密度等离子体CVD无空洞的间隙填充.54蚀刻制程运用等离子体的益处非等向性蚀刻轮廓

13、高蚀刻速率光学式终端点侦测减少化学药品的运用和废弃物的处置.55物理气相堆积制程运用等离子体的益处氩气溅射薄膜质量较高不纯度低和较高的导电系数较好的均匀性较好的制程控制制程整合才干较高.较容易堆积金属合金薄膜.56PECVD和等离子体蚀刻反响室CVD:添加资料到晶圆的外表自在基为了应力控制的一些离子轰击蚀刻: 将资料由晶圆外表移除自在基猛烈的的离子轰击喜低压，较好的离子定向性.57PECVD反响室离子轰击控制薄膜的应力晶圆放在接地电极射频热电极和接地电极两者有一样的面积非常小的自我偏压离子轰击能量大約10 20 eV,主要是由射频功率大小决议.58PECVD反响室的表示图等离子体吸盘RF晶圆.

14、59等离子体蚀刻反响室离子轰击移除晶圆外表资料打断化学键晶圆所在的电极面积较小自我偏压离子轰击能量晶圆上 (射频热电极): 200 1000eV反响室盖子 (接地电极): 10 20 eV.60等离子体蚀刻反响室猛烈的离子轰击产生热能需求控制温度以维护做为图案光罩的光刻胶水冷式晶圆冷却台(夹盤,阴极)低压不利于从晶圆转移热能到夹盘需求把氦气注入晶圆的反面夹环或静电夹盘 (E-夹盘)抓住晶圆.61等离子体蚀刻反响室蚀刻在低压下进展较长的平均自在程,较多的离子能量和较少的溅镀低压, 长平均自在程,较少离子化碰撞很难产生和支撑等离子体磁极用来强迫电子以螺旋途径挪动去添加碰撞的时机.62等离子体蚀刻反

15、响室表示图制程气体等离子体制程反响室副产品被真空泵抽走夹盘射频功率 晶圆背端用氦气冷却 磁场线圈晶圆.63遥控等离子体制程需求自在基加强化学反响避开离子轰击防止等离子体诱生损伤遥控等离子体系统因此应运而生.64制程气体等离子体微波或射频功率制程反响室副产品被真空泵抽走遥控等离子体反响室自在基加热板遥控等离子体系统.65光刻胶剥除蚀刻后立刻移除光刻胶O2 和H2O的化学可以整合到蚀刻系统临场蚀刻和光刻胶剥除同时改善消费率和良率.66光刻胶剥除制程H2O, O2等离子体OOH微波制程反响室H2O,CO2,至真空泵遥控等离子体反响室OOOHH外表有光刻胶的晶圆加热板.67遥控等离子体蚀刻运用: 等向

16、性蚀刻制程:硅的部分氧化或浅沟槽绝缘氮化物剥除酒杯状接触窗孔蚀刻可以整合再等离子体蚀刻系统改善消费率部分往取代湿式蚀刻制程努力.68NF3等离子体FFFFN2N2F微波制程反响室N2,SiF4, 至真空泵遥控等离子体反响室加热板晶圆遥控等离子体蚀刻系统.69遥控等离子体清洁法堆积不只发生在晶圆外表CVD反响室需求例行清洁防止薄膜破裂的粒子污染物等离子体清洁普通运用氟碳化合物的气体离子轰击影响零件的寿命氟碳化合物的分解率低环保人士很在意氟碳化合物的释出.70遥控等离子体清洁法微波高密度等离子体自在基流入CVD反响室和堆积薄膜反响并且移除清洁反响室缓和的制程,延伸零件的寿命高分解,少量氟碳化合物释

17、出.71NF3等离子体FFFFN2N2F微波CVD反响室N2,SiF4, 至真空泵遥控等离子体反响室加热板遥控等离子体清洁法表示图.72遥控等离子体CVD (RPCVD)磊晶硅锗(Si-Ge)资料为高速双载子互补型金氧半晶体管仍在研发中匣极介电质:SiO2, SiON,和Si3N4高介电常数(k) :HfO2,TiO2,和Ta2O5 PMD氮化物阻挠层LPCVD:热积存的限制PECVD:限制等离子体诱发损伤.73高密度等离子体(HDP)能在低压下产生高密度等离子体是最大的希望低压有较长的平均自在程，较少的离子溅镀，增进蚀刻轮廓的控制.密度越高,离子和自在基也越多增进化学反响添加离子轰击对CVD

18、制程,HDP在临场,同步堆积/回蚀/堆积时增进间隙填充才干.74平行平板等离子体源的限制电容耦合型等离子体源无法产生高密度等离子体在低压下即使在磁场中，要产生等离子体依然很難,约几毫托(mTorr)电子的平均自在程太长,无法构成足够的离子化碰撞.75平行平板等离子体源的限制不能单独控制离子束流和离子能量两者直接与射频功率相关较佳的制程控制需求一个可以单独控制离子通量和离子能量的等离子体源.76感应耦合型等离子体(ICP)和电子盘旋共振(ECR)在IC工业上最常运用感应耦合型电漿, ICP亦称作变压器耦合等离子体源,TCP电子盘旋共振, ECRICP可以在低压的形状(几个毫托)制造高密度等离子体

19、可以单独控制离子束流和离子能量.77感应耦合型等离子体(ICP)射频电流经过线圈时，经由感应耦合会产生一个随时间变化的电场盘旋型电场使电子加速也是往盘旋方向加速.电子因盘旋而能挪动很长的间隔而不会撞到反响室墙壁或电極.离子化碰撞能在低压形状产生高密度等离子体.78感应耦合型等离子体(ICP)偏压射频功率控制离子轰击能量射频功率来源控制离子束流必需有一个反面氦气冷却系统和静电夹盘(E-chuck)来控制晶圆温度.79感应耦合原理表示图线圈中射频电流 射频磁场 感应电场.80ICP反响室表示图氦气射频偏压晶圆静电夹盘等离子体感应线圈射频功率源反响室主体陶瓷盖.81ICP的运用介电质化学气相堆积 一切的图案蚀刻制程金属堆积之