0-等离子刻蚀工艺原理介绍

等离子刻蚀工艺原理介绍Etch/CSMC2011.10.14等离子刻蚀工艺原理介绍包含以下几个方面：•等离子体基本概念•等离子刻蚀基本原理•等离子刻蚀应用概述•Plasma就是等离子体(台湾一般称为电浆),由气体电离后产生的正负带电离子以及分子,原子和原子团组成.只有强电场作用下雪崩电离发生时,Plasma才会产生.•气体从常态到等离子体的转变,也是从绝缘体到导体的转变.•Plasma一些例子:荧光灯,闪电,太阳等.什么是Plasmaenergygasplasmaeeee•Plasma产生激活态的粒子以及离子.激活态粒子（自由基）在干法刻蚀中主要用于提高化学反应速率,而离子用于各向异性腐蚀(Anisotropicetch).•在固定Power输入的气体中,电离和复合处于平衡状态.在正负离子复合或电子从高能态向低能态跃迁的过程中发射光子.这些光子可用于终点控制的检测。•半导体工艺Plasma一般都是部分电离,常规0.01%~10%的原子/分子电离.为什么Plasma运用在干法刻蚀中各向异性刻蚀中的圆片偏压•射频功率通过隔直电容加到圆片背面，这样隔离直流而能通过射频，使圆片和基座充电为负偏压状态(平均).•半导体圆片不一定是电导体(因为表面可能淀积一层SiO2或SiN膜),直流偏压不能工作,因为Plasma很快补偿了绝缘体上的偏压.--------++++++---------+•非对称的腔体中，圆片面积腔体面积，所以较高的鞘层/暗区(Sheath/DarkSpace)电压出现在Plasma到圆片之间。圆片偏压的产生-1plasmasheathasheathbSheathbsheathaplasmap圆片偏压的产生-2time0+1-1v2v1time0+1-1(kV)(kV)fastelectronsdecayvoltagerapidlyheavyionsdecayvoltageslowlyV1V2time0+1-1v2v1time0+1-1(kV)(kV)fastelectronsdecayvoltagerapidlyheavyionsdecayvoltageslowlyV1V2“dcbias”(averagewaferpotential)0timewafervoltageplasmapotential“dcbias”(averagewaferpotential)0timewafervoltageplasmapotential•电容耦合:RF功率通过RF电场直接传导到Plasma，涉及到的电极也直接暴露在Plasma中(但是一般有Wafer在基座/电极上).•电感/变压器耦合:RF功率通过RF磁场传导到Plasma,该磁场诱导产生起电离作用的电场.•电容耦合对产生电离作用不是很有效，因为它的很大一部分能量用于向电极表面运动的离子加速.•电感耦合对Plasma的产生很有效，因为它的能量几乎全部用于离化.但是电感耦合点燃Plasma不是很有效.•在MERIE中，外加磁场也用于提高Plasma的浓度.Plasma刻蚀中的功率耦合电容耦合plasmarfelectricfieldwafer电感耦合RFcurrentincoilRFmagneticfieldionizingE-field(induced)电容/电感耦合inductivesourcedefinesdensityPsource/TCPwafercapacitiverfbiasgivesionsdirectedenergyPbias•PlasmaEtch是多变量的工艺---Bias/TCP(Source)功率---Pressure---GasFlow---Temperature---BSCHe---(Gap)---(B-Field)---ProcessTimePlasma刻蚀的复杂性工艺控制和结果工艺可控变量Plasma参数TemperatureGasFlowsPressurePowerTime(MagneticField)EtchRateUniformitySelectivityProfileLoadingEffectsParticulatesResidueDamage结果GasdensityResidencetimeIondensityDCbiasFreeradicalsIonenergyanddirectionalityBSCHe(Gap)化学性腐蚀工艺的六个步骤PlasmaflowinggasGenerationofetchantspecies1DiffusiontosurfaceAdsorptionReactionFilmDesorptionDiffusionintobulkgas23456STEP1.活性粒子由电子和分子的碰撞产生STEP2.活性粒子扩散到反应膜层附近STEP3.活性粒子被表面吸附STEP4.反应发生STEP5.反应生成物能解吸附STEP6.反应生成物扩散到气体当中被泵抽走各向异性腐蚀工艺的两大机理能量，方向性的离子提供各向异性腐蚀,它有两种不同的模式:损伤机理和屏蔽机理.损伤机理屏蔽机理微负载效应机理为了保证Open和Dense区相同的EtchRate，维持工艺Open和Dense区相同的腐蚀剂和生存物通量是非常重要的。该工艺工作在腐蚀气体耗尽还是饱和区域?反应副产物在小尺寸区域逃离速度是否与大尺寸区域一致?离子在小尺寸和大尺寸区域Sidewall上散射不同，对Profile微负载效应造成较大影响。Polymer在小尺寸和大尺寸区域形成速度不同，也对微负载效应造成较大贡献。Etch的方向性•Etch的方向由方向性的离子决定。•Plasma与电极（阴极）之间的电压差控制离子的能量和方向性。•对离子的能量和方向性起关键作业的两个参数是功率和压力。PolyEtch平衡图气体Wafer温度Bias/TCP功率压力(磁场)物理化学离子轰击HBr+化学腐蚀Cl*化学淀积SiBr/HBr(+PR)腐蚀淀积PolyEtch各气体作用MaterialFeedGasesCommentsPolysiliconorSingleCrystalSiBCl3/Cl2CletchesSi,BimprovespassivationHBr/Cl2HBrprovidespassiviationandselectivitytoPR,Cl2providdesmainetchantsHBr/Cl2/O2O2improvesselectivitytoSiO2SF6Higheretchrate,goodoxideselectivity,isotropicNF3Highetchrate,butisotropicHBr/NF3/O2GoodprofilecontrolfordeeptrenchMetalEtch平衡图气体Wafer温度Bias/TCP功率压力(磁场)物理化学离子轰击BCl3+化学腐蚀Cl*化学淀积BCl3(+PR)腐蚀淀积MetalEtch各气体作用MaterialFeedGasesCommentsAluminumorAluminumAlloyBCl3/Cl2CletchesAl,BimprovespassivationN2/CHF3Improveprofilecontrol,sidewallpassiviation,CHF3for0.25umtechnologyArRemoveSi,CuandTiNresidueSF6WetchantSIO2Etch平衡图气体Wafer温度RF功率压力(磁场)物理化学离子轰击Ar+化学腐蚀F*化学淀积-CF2-(+PR)腐蚀淀积SIO2/SiNEtch各气体作用MaterialFeedGasesCommentsSiO2orSiNCHF3/CF4Standardetchgas,CF4etchant,CHF3givemorepolymer,improveseltoSiCH3F/O2IncreaseSelSiNtoSiO2ArBombardmentSF6/O2SiNetchant,isotropic,O2improveseltoSiO2C4F8/COIncreaseSelSiO2toSiNF/C比率和Polymer的形成C2F4C4F10C2F6CF4ETCHINGPOLYMERIZATIONO2ADDITIONH2Addition1234DCBIASCH3FCHF3C4F8聚合和腐蚀的条件气体内F/C比率，腐蚀粒子与DCBias大小决定了工艺的聚合和腐蚀•驻留时间=pV/Q•高流量和低压力–低驻留时间,反应被吸附的时间也短。•需要较高的泵速,S=Q/p,达到较短的驻留时间。压力作用:驻留时间改变压力就能改变plasma离子/中性粒子的分布。高压力导致离子高的再复合速度，降低了wafer表面的离子通量。提高压力也增加了离子的碰撞，导致离子能量的损失。压力影响:气流密度•Source/TCP功率–控制气体离化。提高Source/TCP功率，提高腐蚀速率。提高Source/TCP功率，就增加了wafer表面的离子通量。提高Source/TCP功率，就降低了离子能量。Source/TCP功率的作用:Plasma浓度Bias功率--控制离子浓度/能量。提高Bias功率，提高腐蚀速率。低离子能量--低的碰撞速度。离子能量影响方向性--高离子能量意味着离子更少偏离原来运动方向。Bias功率的作用:离子能量Q&A问答