半导体制程技术导论Chaer-等离子体工艺

1Chapter7

等离子体的基础原理2目标列出至少三种使用等离子体的IC制程列出等离子体中重要的三种碰撞描述平均自由程解释等离子体在蚀刻和化学气相沉积制程的好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?为什么使用等离子体?离子轰击等离子体制程的应用

4等离子体制程的应用

化学气相沉积蚀刻物理气相沉积离子注入光刻胶剥除制程反应室的的干式清洗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精确的定义: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)所构成准-中性:

ni

ne离化率:

hne/(ne+nn)7离化率离化率主要受等离子体中的电子能量决定大部分等离子体制程反应室，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%太阳核心的离化率约~100%.8中性气体密度理想气体1摩尔=22.4升=2.24104cm31摩尔=6.621023个分子

１大气压下的气体密度是2.961019cm3１托的气体密度是3.891016cm3１毫托的气体密度是3.891013cm3射频等离子体源有非常低的离化率9等离子体的产生需要借助外界的能量射頻(RF)电能是最常使用的电源产生一个稳定的射频等离子体需要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-+A A++2e-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离子化的说说明自由电子入入射撞击轨轨道电子两个自由电电子轨道电子原子核原子核12激发－松弛弛e-+AA*+e-A*A+hn(光)不同的原子子/分子有不同同的频率,也就是为什什么不同的的气体会发发出不同的的颜色.侦测等离子子体的发光光变化来决决定蚀刻和和化学气相相沉积反应应室清洁步步骤的终端端点(endpoint)13激发碰撞入射撞击电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:光的频率激发态15分解电子和分子子碰撞，可可以打断化化学键并产产生自由基基:e-+ABA+B+e-自由基至少少有一个未未成对电子子，化学上上是容易起起反应的.增加化学反反应速率对蚀刻和化化学气相沉沉积制程非非常重要16分解ABe-Be-A分子自由基17等离子体蚀蚀刻氧化物蚀刻刻制程，在在等离子体体中使用CF4产生氟(F)的自由基e-+CF4CF3+F+e-4F+SiO2SiF4+2O增进蚀刻制制程的化学学反应18等离子体增增进化学气气相沉积化化学反应PECVD氧化物的制制程用硅烷烷和N2O(笑气)e-+SiH4SiH2+2H+e-e-+N2ON2+O+e-SiH2+3OSiO2+H2O等离子体增增进化学反反应在相对低温温下，PECVD可达高的沉沉积速率19问与答为何在铜和和铝的溅镀镀制程中，，分解碰撞撞并不重要要?铝和铜的溅溅镀制程中中仅使用惰惰性气体—氩气。和其其他气体不不同的是，，惰性气体体是以原子子而非分子子的形式存存在，因此此在氩气等等离子体中中并不会产产生分解碰碰撞20问与答在PVD制程中有分分解碰撞吗吗?有，在氮化化钛(TiN)的沉积中，，会用到氩氩气(Ar)和氮气(N2)。在等离子体体中，氮气气会被分解解而产生自自由基N，而自由基N又会和钛产产生反应而而在钛靶表表面形成氮氮化钛，Ar+离子则会把把氮化钛分分子从钛靶靶表面溅射射出来而使使之沉积在在晶圆表面面21表7.1硅烷的分解解22问与答表7.1中哪种碰撞撞最有可能能发生?为什么?需要最少能能量的碰撞撞便是最有有可能发生生的碰撞23平均自自由程程(MFP)粒子和和粒子子碰撞撞前能能够移移动的的平均均距离离.n是粒子子的密密度s是粒子子的碰碰撞截截面24平均自自由程程说明明大粒子子小粒子子大粒子子小粒子子(a)(b)25平均自自由程程(MFP)压力的的影响响压力越越高,平均自自由程程越短短压力越越低,平均自自由程程越长长26问与答答为何需需要用用到一一个真真空反反应室室来产产生稳稳定的的等离离子体体?电子在在大气气压(760托)的状态态下的的平均均自由由程很很短，，电子子很难难去获获取足足够的的能量量使气气体离离子化化.在一个个极度度强大大的电电场下下，等等离子子体会会形成成弧光光(arcing,像是闪闪电一一样)的型态态，而而非稳稳定的的辉光光放电电(glowdischarge)27带电粒粒子的的移动动电子子质质量量远远小小于于离离子子me<<mime:mH=1:1836电子子和和离离子子具具相相同同的的电电力力F=qE电子子有有较较高高的的加加速速度度a=F/m28带电电粒粒子子的的移移动动射频频电电场场变变化化的的非非常常快快，，电电子子可可以以快快速速的的加加速速且且开开始始碰碰撞撞，，离离子子太太重重无无法法立立即即对对交交流流的的电电场场作作出出反反应应由于于离离子子的的碰碰撞撞截截面面较较大大所所以以有有较较多多的的碰碰撞撞，，也也因因此此减减缓缓离离子子的的运运动动速速度度在等离离子体体中电电子移移动的的较离离子快快很多多29热速度度电子热热速度度v=(kTe/me)1/2射频等等离子子体,Te约2eVve5.93107cm/sec=1.33107mph30磁力和和螺旋旋运动动磁力作作用在在一个个带电电粒子子上:F=qvB磁力总总是垂垂直粒粒子的的速度度带电粒粒子沿沿着磁磁场线线螺旋旋状旋旋绕.螺旋运运动(Gyro-motion)31螺旋运运动带电粒粒子轨轨迹磁力线线32螺旋转转动频频率磁场中中的带带电粒粒子作作螺旋旋运动动环绕绕磁场场线的的频率率33螺旋转转动半半径在磁场场中带带电粒粒子的的回旋旋半徑,r,可以下下式表表示:r=v/W34能量,Ef(E)2-3eV具有足足够离离子化化能量量的电电子玻尔兹曼分分布35离子轰轰击当等离离子体体制程程开始始后，，任何何接近近等离离子体体的东东西都都会产产生离离子轰轰击对于溅溅镀、、蚀刻刻和等等离子子体增增强式式化学学气相相沉积积非常常重要要主要受受射频频功率率供给给影响响压力也也会影影响轰轰击36离子轰轰击电子移移动比比离子子快很很多电子首首先到到达电电极和和反应应室墙墙边电极带带负电电，排排斥电电子，，吸引引离子.鞘极(sheath)电位差差会加加速离离子朝朝向电电极移移动，，并造造成离离子轰轰擊.离子轰轰击对对溅镀镀、蚀蚀刻和和等离离子体体增强强式化化学气气相沉沉积非非常重重要.37鞘层电电位+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-++++-+-+-+-++++-+-+-++++++-+-++++++-+++++++++++鞘层区VpVfx暗区大量等离子体体鞘层电位位电极38离子轰击击的应用用帮助如何何到达非非等向性性蚀刻轮轮廓损伤机制制阻绝机制制氩溅镀缝补缝隙隙的介电电质蚀刻刻金属沉积积帮助控制制PECVD制程中薄薄膜的应应力较重的离离子轰击击，薄膜膜受到的的压应力力越大39直流偏压压和射频频功率的的关系时间电压(伏特)直流偏压压射频电位位等离子体体电位40直流偏压压和射频频功率0时间等离子体体电位0时间等离子体体电位直流偏压压射频电位位直流偏压压较低的射射频功率率较小小的的直直流流偏偏压压较高高的的射射频频功功率率较大大的的直直流流偏偏压压41离子子轰轰击击离子子能能量量离子子密密度度两者者受受射射频频功功率率控控制制42离子子轰轰击击控控制制增加加射射频频功功率率、、增增加加直直流流偏偏压压，，则则离离子子密密度度也也增增加加.离子子密密度度和和离离子子轰轰击击能能量量都都受受射射频频功功率率控控制制.射频功率是是控制离子子轰击最重重要的把手手射频功率也也用来做为为增强式化化学气相沉沉积制程薄薄膜应力的的控制43化学气相沉沉积反应室室等离子体体的直流偏偏压Vp=10-20V射频热电极极接地电极暗区或鞘层层区域44蚀刻反应室室等离子体体的直流偏偏压直流偏压0时间间晶圆圆电电位位等离离子子体体电电位位自偏偏压压45蚀刻刻反反应应室室等等离离子子体体的的直直流流偏偏压压V2A2A1V1/V2=(A2/A1)V1=200到1000V4直流流偏偏压压V146问与与答答如果果电电击击的的面面积积比比例例为为1:3，试试问问直直流流偏偏压压和和自自偏偏压压之之间间的的差差值值为为何何?直流流偏偏压压是是V1,自偏偏压压是是V1-V2,因此此,他们们的的差差值值是是[V1-(V1-V2)]/V1=V2/V1=(A1/A2)4=(1/3)4=1/81=1.23%47问与答我们是否否可以在在等离子子体中插插入金属属探针来来测量等等离子体体电位V2?可以，但但是当探探针靠近近等离子子体时，，它会受受到电子子快速移移动的影影响而带带负电，，并在其其表面和和巨体等等离子体体间形成成鞘层电电位。因此测量量的结果果端视于于鞘层电电位的理理论模式式，但是是这理论论模式至至今尚未未完全发发展完备备48离子轰击击和电极极尺寸越小的电电极就会会有较大大的鞘层层电压，，因此能能产生较较高能量量的离子子轰击大多数的的蚀刻反反应室将将晶圆放放在较小小的射频频热电极极49使用等离离子体的的优点IC生产线线的等等离子子体制制程:等离子子体增增强式式化学学气相相沉积积化学气气相沉沉积反反应室室的干干式清清洗等离子子体蚀蚀刻物理气气相沉沉积离子注注入50化学气气相沉沉积制制程使使用等等离子子体的的好处处相对较较低的的温度度有较较高的的沉积积速率率.独立的的薄膜膜应力力控制制反应室室干式式清洗洗51PECVD和LPCVD的比较较52高密度度等离离子体体化学学气相相沉积积间隙隙填充充同时沉沉积和和溅镀镀间隙的的开口口逐渐渐变细细金属线线之间间的间间隙从从底部部填充充上来来530.25mm,A/R4:1高密度度等离离子体体CVD无空洞洞的间间隙填填充54蚀刻制制程使使用等等离子子体的的好处处非等向向性蚀蚀刻轮轮廓高蚀刻刻速率率光学式式终端端点侦侦测减少化化学药药品的的使用用和废废弃物物的处处理55物理气气相沉沉积制制程使使用等等离子子体的的好处处氩气溅溅射薄膜品品质较较高不纯度度低和和较高高的导导电系系数较好的的均匀匀性较好的的制程程控制制制程整整合能能力较较高.较容易易沉积积金属属合金金薄膜膜56PECVD和等离离子体体蚀刻刻反应应室CVD:添加材材料到到晶圆圆的表表面自由基基为了应应力控控制的的一些些离子子轰击击蚀刻:将材料料由晶晶圆表表面移移除自由基基激烈的的的离离子轰轰击喜低压压，较较好的的离子子定向向性57PECVD反应室室离子轰轰击控控制薄薄膜的的应力力晶圆放放在接接地电电极射频热热电极极和接接地电电极两两者有有相同同的面面积非常小小的自自我偏偏压离子轰轰击能能量大大約10~20eV,主要是是由射射频功功率大大小决决定58PECVD反应室室的示示意图图等离子子体吸盘RF晶圆59等离子子体蚀蚀刻反反应室室离子轰击移除晶圆表表面材料打断化学键键晶圆所在的的电极面积积较小自我偏压离子轰击能能量晶圆上(射频热电极极):200~1000eV反应室盖子子(接地电极):10~20eV.60等离子体蚀蚀刻反应室室激烈的离子子轰击产生生热能需要控制温温度以保护护做为图案案光罩的光光刻胶水冷式晶圆圆冷却台(夹盤,阴极)低压不利于于从晶圆转转移热能到到夹盘需要把氦气气注入晶圆圆的背面夹环或静电电夹盘(E-夹盘)抓住晶圆61等离子体蚀蚀刻反应室室蚀刻在低压压下进行较长的平均均自由程,较多的离子子能量和较较少的溅镀镀低压,长平均自由由程,较少离子化化碰撞很难产生和和支撑等离离子体磁极用来强强迫电子以以螺旋路径径移动去增增加碰撞的的机会62等离子体蚀蚀刻反应室室示意图制程气体等离子体制程反应室室副产品被真真空泵抽走走夹盘射频功率晶圆背端用用氦气冷却却磁场线圈晶圆63遥控等离子子体制程需要自由基基增强化学反反应避开离子轰轰击避免等离子子体诱生伤伤害遥控等离子子体系统因因此应运而而生64制程气体等离子体微波或射频频功率制程反应室室副产品被真真空泵抽走走遥控等离子子体反应室室自由基加热板遥控等离子子体系统65光刻胶剥除除蚀刻后立即即移除光刻刻胶O2和H2O的化学可以整合到到蚀刻系统统临场蚀刻和和光刻胶剥剥除同时改善生生产率和良良率66光刻胶剥除除制程H2O,O2等离子体OOH微波制程反应室室H2O,CO2,…至真空泵遥控等离子子体反应室室OOOHH表面有光刻刻胶的晶圆圆加热板67遥控等离子子体蚀刻应用:等向性蚀刻刻制程:硅的局部氧氧化或浅沟沟槽绝缘氮氮化物剥除除酒杯状接触触窗孔蚀刻刻可以整合再再等离子体体蚀刻系统统改善生产率率部分往取代代湿式蚀刻刻制程努力力68NF3等离子体FFFFN2N2F微波制程反应室室N2,SiF4,…至真空泵遥控等离子子体反应室室加热板晶圆遥控等离子子体蚀刻系系统69遥控等离子子体清洁法法沉积不只发发生在晶圆圆表面CVD反应室需要要例行清洁洁避免薄膜破破裂的粒子子污染物等离子体清清洁一般使使用氟碳化化合物的气气体离子轰击影影响零件的的寿命氟碳化合物物的分解率率低环保人士很很在意氟碳碳化合物的的释出70遥控等离子子体清洁法法微波高密度度等离子体体自由基流入入CVD反应室和沉积薄膜膜反应并且且移除清洁反应室室缓和的制程程,延长零件的的寿命高分解,少量氟碳化化合物释出出71NF3等离子体FFFFN2N2F微波CVD反应室N2,SiF4,…至真空泵遥控等离子子体反应室室加热板遥控等离子子体清洁法法示意图72遥控等离子子体CVD(RPCVD)磊晶硅锗(Si-Ge)材料为高速速双载子互互补型金氧氧半晶体管管仍在研发中中匣极介电质质:SiO2,SiON,和Si3N4高介电常数数(k):HfO2,TiO2,和Ta2O5PMD氮化物阻挡挡层LPCVD:热积存的限限制PECVD:限制等离子子体诱发损损伤73高密度等离离子体(HDP)能在低压下下产生高密密度等离子子体是最大大的希望低压有较长长的平均自自由程，较较少的离子子溅镀，增增进蚀刻轮轮廓的控制.密度越高,离子和自由由基也越多多增进化学反反应增加离子轰轰击对CVD制程,HDP在临场,同步沉积积/回蚀/沉积时增增进间隙隙填充能能力74平行平板板等离子子体源的的限制电容耦合合型等离离子体源源无法产生生高密度度等离子子体在低压下下即使在在磁场中中，要产产生等离离子体仍仍然很難,约几毫托托(mTorr)电子的平平均自由由程太长长,无法形成成足够的的离子化化碰撞75平行平板板等离子子体源的的限制不能单独独控制离离子束流流和离子子能量两者直接接与射频频功率相相关较佳的制制程控制制需要一一个可以以单独控控制离子子通量和和离子能能量的等等离子体体源76感应耦合合型等离离子体(ICP)和电子回回旋共振振(ECR)在IC工业上最常常使用感应耦合型型电漿,ICP亦称作变压压器耦合等等离子体源源,TCP电子回旋共共振,ECRICP可以在低压压的状态(几个毫托)制造高密度度等离子体体可以单独控控制离子束束流和离子子能量77感应耦合型型等离子体体(ICP)射频电流通通过线圈时时，经由感感应耦合会会产生一个个随时间变变化的电场场回旋型电场场使电子加加速也是往往回旋方向向加速.电子因回旋旋而能移动动很长的距距离而不会会撞到反应应室墙壁或或电極.离子化碰撞撞能在低压压状态产生生高密度等等离子体78感应耦合型型等离子体体(ICP)偏压射频功功率控制离离子轰击能能量射频功率来来源控制离离子束流必须有一个个背面氦气气冷却系统统和静电夹夹盘(E-chuck)来控制晶圆圆温度79感应耦合原原理示意图图线圈中射频频电流射频磁场感应电场80ICP反应室示意意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源反应室主体体陶瓷盖81ICP的应用介电质化学学气相沉积积所有的图案案蚀刻制程程金属沉积之之前的溅镀镀清洗金属等离子子体物理气气相沉积等离子体浸浸置型离子子注入82电子回旋共共振(ECR)螺旋转动频频率(Gyro-frequency)或回旋频率率(cyclotronfrequency):由磁场强度度决定83电子回旋共共振(ECR)当wMW=We时，产生电电子回旋共共振电子从微波波中取得能能量具能量的电电子和原子子或分子碰碰撞离子化碰撞撞产生更多多的电子电子沿着磁磁场线螺旋旋转进即使在非常常低的压力力也有许多多的碰撞84电子回旋共共振(ECR)电子轨迹B微波85氦气射频偏压磁力线微波磁场线圈ECR等离子体晶圆静电夹盘电子回旋共共振(ECR)86电子回旋共共振(ECR)射频偏压功功率控制离离子轰击能能量微波功率控控制离子束束流磁场线圈控控制等离子子体位置和和制程的均均匀性背面要有一一个具有静静电夹盘(E-chuck)的氦气冷却却系统来控控制晶圆温温度87ECR的应用介电质化学学气相沉积积所有的图案案蚀刻制程程等离子体浸浸置型离子子注入88概要等离子体是是n–=n+的游离气体体等离子子体由由中性性原子子(n),电子(e),和离子子(i)组成离子化化、激激发—松弛和和分解解离子轰轰击帮帮助蚀蚀刻率率的增增加和和达到到非等等向性性蚀刻刻光的放放射可可以使使用来来做为为蚀刻刻终端端点平均自自由程程和压压力有有关等离子子体的的离子子总是是轰击击电极极89概要电容耦耦合型型等离离子体体，增增加射射频功功率同同时增增加离离子束束流和和离子子能量量低频射射频功功率提提供离离子更更多的的能量量，引引起较较激烈烈的离离子轰轰击蚀刻制制程比比PECVD需要更更多的的离子子轰击击低压下下产生生高密密度等等离子子体源源是希希望达达到的的目标标ICP和ECR是两种种用在在IC制造的的高密密度等等离子子体系系统9、静夜夜四无无邻，，荒居居旧业业贫。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。04:39:2004:39:2004:3912/29/20224:39:20AM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2204:39:2004:39Dec-2229-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。04:39:2004:39:2004:39Thursday,December29,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2204:39:2004:39:20December29,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。29十二二月20224:39:20上上午04:39:2012月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月224:39上上午午12月月-2204:39December29,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/294:39:2004:39:2029December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。4:39:20上上午4:39上上午午04:39:2012月月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。04:39:2004:39:2004:3912/29/20224:39:20AM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2204:39:2004:39Dec-2229-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。04:39:2004:39:2004:39Thursday,December29,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月