双频容性耦合等离子体刻蚀工艺的物理基础.ppt

1、双频容性耦合等离子体物理特性的研究 *王 友 年大连理工大学物理与光电工程学院* 国家自然科学基金重点项目资助课题内 容一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及存在的问题二、几种有代表性的等离子体源三、描述 DF-CCP物理过程的 解析模型四、描述 DF-CCP物理过程的 混合模型五、直流偏压效应六、有关实验工作进展一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及问题低温等离子体刻蚀技术 在微纳制造工艺中得到广泛地应用，如超大规模集成电路、微机械系统、微光学系统的制备。 1）半导体芯片加工2）微电机系统（ MEMS)加工3）平板显示器的加工4）衍射光栅的制备微齿轮微结构集成电路发展趋势 :加工晶圆的面积更大特征尺寸越

2、来越小集成度越来越高对等离子体源的要求 :高的刻蚀率高度的均匀性高度的各向异性高度的选择性较低的介质损伤等离子体刻蚀工艺的趋势 均匀性刻蚀的均匀性包含两层意思：1）宏观的不均匀性 ：在晶片的径向上造成的刻蚀率和刻蚀剖 面的不均匀性。2）微观不均匀性： 在每个微槽的底部和侧面造成的刻蚀不均匀性。等离子体密度0 R为了适应纳电子器件的制备工艺，必须要：1） 提出大面积、高密度、均匀等离子体的新方法；2） 提出优化刻蚀工艺的新方法。 实验 (或工艺 ) 研究 计算机仿真模拟1、平板式是射频容性耦合等离子体 (CCP)源plasmaRF power13.56MHz进气抽气介质电极开始于上个世纪 70年

3、代，主要用于反应性等离子体刻蚀工艺。单频 CCP源的主要优点：1.工作气压比较低（ mTorr)2.能够产生比较均匀的 plasma3.结构简单，造价低 . 二、几种有代表性的等离子体刻蚀源根据熟知的定标关系可知：等离子体密度正比于驱动电源频率 的平方 和施加的偏压，即当电源频率 w一定时 , 要提高等离子体密度，唯一的途径是增加施加偏压。但增加施加的射频偏压时，轰击到晶片上的离子能量也随着增加。太高的离子能量，将对晶片造成不必要的介质损伤。早期使用的都是单一频率射频电源（ 13.56MHz)驱动放电的 CCP源，很难实现对等离子体密度（正比于刻蚀率）和入射到晶片上离子的能量分布的独立控制。2

4、、微波电子回旋共振 (ECR)/RF偏压等离子体刻蚀源3、射频感应耦合等离子体 ( ICP)/RF偏压刻蚀源RF biased electrodewafercoilInsulating plate平面线圈感应耦合等离子体源 主电源（连接在线圈）控制等离子体的状态； 偏压电源（施加在芯片台上）控制离子轰击晶片上的能量分布。感应耦合等离子体 (ICP)源的特点特点 解决的问题工作气压低 ( 2Pa )等离子体密度高 (1011 cm-31012cm-3)产生等离子体的射频源与基片台射频源独立控制提高各向异性刻蚀提高离子流密度提高刻蚀率提高刻蚀的选择性降低晶圆介质损伤问题： 1）适于刻蚀金属、半导体

5、材料；2）产生大面积的均匀性等离子体比较困难。4、双频电容耦合等离子体（ DF-CCP)源Upper electrodeLF source HF sourcePlasmalower electrode1）高频电源控制等离子体密度、低频电源控制离子的能量。2）产生高密度、大面积均匀等离子体；3)实现对绝缘体 SiO2的刻蚀。（ 2000年 -）DF-CCP 源目前一些半导体设备制造公司已经研制出或正在研制这种等离子体刻蚀设备，如：1）美国的 Lam（泛林）公司2)美国 Applied Materials公司3)日本 Tokyo Electron4)中微 (上海 )半导体设备制造有限公司 (AME

6、C )DF-CCP sourcesSCCM-TE (TEL) Exelan-CFE (Lam) Enalber (AMT)D92 SAC Etcher D92 SiN mask Etcher - Dual-CCP4.5cm, 30mT Uniformity :- Dual cathode Narrow Dual-CCP : 2.0cm, 40mT PR Selectivity : Heated top electrode VHF Dual-CCP : Very High Freq.3.2cm, 30mT High E/R & PR Sel. : 60MHz2MHz 13.56MHz 162MH

7、z目前对这种双频 CCP放电的物理过程和相应的刻蚀机理，仍有很多问题需要研究 , 如：1） 两个电源的频率匹配问题，27MH/1MHz, 27MH/2MHz， 60MHz/2MHz？2） 两个电源的施加方式，施加在同一个电极，还是分别在两个电极？3） 高频电源的频率到达多高为好？驻波效应？如何匹配电源的频率和腔室的半径？Typical operating conditions for dielectric etching on 200-300 mm silicon wafers are: discharge radius: R15-25 cm plate separation l1-5cm h

8、igh frequency fh 27.1-160 MHz low frequency fl 2-13.6 MHz high-frequency voltage amplitude |Vh| 250-1000 V low-frequency voltage amplitude |Vl| 500-3000 V powers for both low- and high-frequency sources: 500-3000 W discharge pressure p 30-300 mTorr驻波效应：在超高频情况下，电磁波的波长 l可以与放电装置的反应腔室（或电极半径） R相当，从而可以在等离

9、子体腔室内部激发一个径向传播的电磁波，即驻波，引起等离子体密度径向不均匀性。这对芯片刻蚀的均匀性影响很大。Shaped lower electrodeL. Sansonnens et al., J. Vac. Sci. Techn. A24,1 425 (2006)Method for suppressing standing-wave nonuniformity尽管一些厂家研制的这种刻蚀机已在线生产，但对于这种相关的基础研究开展的不多： 为数不多的理论研究和计算机模拟工作； 相关的实验研究工作很少（ 2006年 -）。原因：1）在线使用的刻蚀机是一个 “ 黑匣子 ” ，没有留任何窗口对其中的

10、等离子体进行诊断。2）在超高频或双频放电情况下，诊断难度很大，对现有的探针诊断技术是一个挑战。 三、 描述 DF-CCP物理过程的解析模型 Jrf(t)=Jlcos(wlt)+ Jhcos(wht) Ion density is homogeneous Electron density is step-like distributions高频电源 -快速振荡低频电源 -振荡的轮廓线等离子体密度VL= 400V， fL=2MHz, d=2cm, p=5mTorrInfluence of high-frequency power on the plasma densityVL= 400V， fH=

11、60MHz, VH=200V, d=2cm, p=5mTorrInfluence of low-frequency on IEDF四、 描述 DF-CCP物理过程的混合模型 基本思想： 采用流体力学方法描述等离子体的宏观输运过程电场分布； 采用 Monte-Carlo方法模拟在鞘层中与中性粒子的碰撞过程。Input parameters: fL, fH, PL, PH, D, pFluid model in sheath: E(x,t), V(x,t), ni(x,t), s(t), Vsh(t)MC method: IEDF, IADFElectron fluxElectron energy fluxElectron energy lossFluid models: Ar plasmasionizationE(x,t)xj, vjIon positions xj(t) and velocities vj(t) between two contiguous collisions.Please notice: the ion trajectory is a beeline under the action of the electric field.离子在鞘层中受鞘层电场的运动