半导体制程技术导论Chapter-7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: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=2.24104cm3–1摩尔=6.621023个分子•１大气压下的气体密度是2.961019cm3•１托的气体密度是3.891016cm3•１毫托的气体密度是3.891013cm3•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-+AA++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离子化的说明自由电子入射撞击轨道电子两个自由电子轨道电子原子核原子核12激发－松弛e-+AA*+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体会发出不同的颜色.侦测等离子体的发光变化来决定蚀刻和化学气相沉积反应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由基:e-+ABA+B+e-•自由基至少有一个未成对电子，化学上是容易起反应的.•增加化学反应速率•对蚀刻和化学气相沉积制程非常重要16分解ABe-Be-A分子自由基17等离子体蚀刻•氧化物蚀刻制程，在等离子体中使用CF4产生氟(F)的自由基e+CF4CF3+F+e4F+SiO2SiF4+2O•增进蚀刻制程的化学反应18等离子体增进化学气相沉积化学反应•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+3OSiO2+H2O•等离子体增进化学反应•在相对低温下，PECVD可达高的沉积速率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使用惰性气体—氩气。和其他气体不同的是，惰性气体是以原子而非分子的形式存在，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)的沉积中，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由基N，而自由基N又会和钛产生反应而在钛靶表面形成氮化钛，Ar+离子则会把氮化钛分子从钛靶表面溅射出来而使之沉积在晶圆表面21表7.1硅烷的分解碰撞副產品形成所需的能量e-+SiH4SiH2+H2+e-2.2eVSiH3+H+e-4.0eVSi+2H2+e-4.2eVSiH+H2+H+e-5.7eVSiH2*+2H+e-8.9eVSi*+2H2+e-9.5eVSiH2++H2+2e-11.9eVSiH3++H+2e-12.32eVSi++2H2+2e-13.6eVSiH++H2+H+2e-15.3eV22问与答•表7.1中哪种碰撞最有可能发生?为什么?•需要最少能量的碰撞便是最有可能发生的碰撞23平均自由程(MFP)粒子和粒子碰撞前能够移动的平均距离.1nn是粒子的密度是粒子的碰撞截面24平均自由程说明大粒子小粒子大粒子小粒子(a)(b)25平均自由程(MFP)压力的影响压力越高,平均自由程越短压力越低,平均自由程越长1p26问与答•为何需要用到一个真空反应室来产生稳定的等离子体?•电子在大气压(760托)的状态下的平均自由程很短，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，等离子体会形成弧光(arcing,像是闪电一样)的型态，而非稳定的辉光放电(glowdischarge)27带电粒子的移动电子质量远小于离子memime:mH=1:1836电子和离子具相同的电力F=qE电子有较高的加速度a=F/m28带电粒子的移动射频电场变化的非常快，电子可以快速的加速且开始碰撞，离子太重无法立即对交流的电场作出反应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在等离子体中电子移动的较离子快很多29热速度电子热速度v=(kTe/me)1/2射频等离子体,Te约2eVve5.93107cm/sec=1.33107mph30磁力和螺旋运动磁力作用在一个带电粒子上:F=qvB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-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mqB33螺旋转动半径•在磁场中带电粒子的回旋半徑,r,可以下式表示:r=v/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当等离子体制程开始后，任何接近等离子体的东西都会产生离子轰击对于溅镀、蚀刻和等离子体增强式化学气相沉积非常重要主要受射频功率供给影响压力也会影响轰击36离子轰击电子移动比离子快很多电子首先到达电极和反应室墙边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移动，并造成离子轰擊.离子轰击对溅镀、蚀刻和等离子体增强式化学气相沉积非常重要.37鞘层电位+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-++++-+-+-+-++++-+-+-++++++-+-++++++-+++++++++++鞘层区VpVfx暗区大量等离子体鞘层电位电极38离子轰击的应用帮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金属沉积帮助控制PECVD制程中薄膜的应力较重的离子轰击，薄膜受到的压应力越大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•增加射频功率、增加直流偏压，则离子密度也增加.•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增强式化学气相沉积制程薄膜应力的控制43化学气相沉积反应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蚀刻反应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蚀刻反应室等离子体的直流偏压V2A2A1V1/V2=(A2/A1)V1=200到1000V4直流偏压V146问与答•如果电击的面积比例为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•我们是否可以在等离子体中插入金属探针来测量等离子体电位V2?•可以，但是当探针靠近等离子体时，它会受到电子快速移动的影响而带负电，并在其表面和巨体等离子体间形成鞘层电位。•因此测量的结果端视于鞘层电位的理论模式，但是这理论模式至今尚未完全发展完备48离子轰击和电极尺寸•越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•大多数的蚀刻反应室将晶圆放在较小的射频热电极49使用等离子体的优点•IC生产线的等离子体制程:–等离子体增强式化学气相沉积•化学气相沉积反应室的干式清洗–等离子体蚀刻–物理气相沉积–离子注入50化学气相沉积制程使用等离子体的好处•相对较低的温度有较高的沉积速率.•独立的薄膜应力控制•反应室干式清洗51PECVD和LPCVD的比较制程LPCVD(150mm)PECVD(150mm)化学反应SiH4+O2SiO2+…SiH4+N2OSiO2+…制程参数p=3Torr,T=400Cp=3Torr,T=400C与RF=180W沉积速率100到200Å/min8000Å/min制程系统批量系统单一晶圆晶圆对晶圆的均匀性难控制易控制52高密度等离子体化学气相沉积间隙填充•同时沉积和溅镀•间隙的开口逐渐变细•金属线之间的间隙从底部填充上来530.25mm,A/R4:1高密度等离子体CVD无空洞的间隙填充54蚀刻制程使用等离子体的好处•非等向性蚀刻轮廓•高蚀刻速率•光学式终端点侦测•减少化学药品的使用和废弃物的处理55物理气相沉积制程使用等离子体的好处•氩气溅射•薄膜品质较高–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•制程整合能力较高.•较容易沉积金属合金薄膜56PECVD和等离子体蚀刻反应室•CVD:添加材料到晶圆的表面–自由基–为了应力控制的一些离子轰击•蚀刻:将材料由晶圆表面移除–自由基–激烈的的离子轰击–喜低压，较好的离子定向性57PECVD反应室•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相同的面积•非常小的自我偏压•离子轰击能量大約10~20eV,主要是由射频功率大小决定58PECVD反应室的示意图等离子体吸盘RF晶圆59等离子体蚀刻反应室•离子轰击–移除晶圆表面材料–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–反应室盖子(接地电极):10~20eV.60等离子体蚀刻反应室•激烈的离子轰击产生热能•需要控制温度以保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•需要把氦气注入晶圆的背面•夹环或静电夹盘(E-夹盘)抓住晶圆61等离子体蚀刻反应室•蚀刻在低压下进行–较长的平均自由程,较多的离子能量和较少的溅镀•低压,长平均自由程,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路径移动去增加碰撞的机会62等离子体蚀刻反应室示意图制程气体等离子体制程反应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•需要自由基–增强化学反应•避开离子轰击–避免等离子体诱生伤害•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应室副产品被真空泵抽走遥控等离子体反应室自由基加热板遥控等离子体系统65光刻胶剥除•蚀刻后立即移除光刻胶•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•同时改善生产率和良率66光刻胶剥除制程H2O,O2等离子体OOH微波制程反应室H2O,CO2,…至真空泵遥控等离子体反应室OOOHH表面有光刻胶的晶圆加热板67遥控等离子体蚀刻•应用:等向性蚀刻制程:–硅的局部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–改善生产率•部分往取代湿式蚀刻制程努力68NF3等离子体FFFFN2N2F微波制程反应室N2,SiF4,…至真空泵遥控等离子体反应