半導(dǎo)體制程技術(shù)導(dǎo)論Chapter_7等離子體工藝

1、1Chapter 7 等離子體的基礎(chǔ)原理2目標(biāo) 列出至少三種使用等離子體的IC制程 列出等離子體中重要的三種碰撞 描述平均自由程 解釋等離子體在蝕刻和化學(xué)氣相沉積制程的好處 說出至少兩種高密度等離子體系統(tǒng)3討論的主題 什么是等離子體? 為什么使用等離子體? 離子轟擊 等離子體制程的應(yīng)用 4等離子體制程的應(yīng)用 化學(xué)氣相沉積 蝕刻 物理氣相沉積 離子注入 光刻膠剝除 制程反應(yīng)室的的干式清洗5等離子體是什么? 具有等量的正電荷和負(fù)電荷的離子氣體 更精確的定義:等離子體就是具有等量帶電性與中性粒子的氣體，等離子體本身就是這些例子的集體行為 例如 太陽,電弧等6等離子體的成分 等離子體是由中性原子或分子

2、、負(fù)電(電子)和正電(離子)所構(gòu)成 準(zhǔn)-中性: ni ne 離化率: h ne/(ne+nn)7離化率離化率主要受等離子體中的電子能量決定大部分等離子體制程反應(yīng)室，等離子體的離化率小于0.001%.高密度等離子體源有較高的離化率,約 1%太陽核心的離化率約100%.8中性氣體密度 理想氣體 1摩爾 = 22.4 升 = 2.24104 cm3 1摩爾 = 6.621023 個分子 大氣壓下的氣體密度是2.961019 cm3 托的氣體密度是 3.891016 cm3 毫托的氣體密度是 3.891013 cm3 射頻等離子體源有非常低的離化率9等離子體的產(chǎn)生 需要借助外界的能量 射頻 (RF)電

3、能是最常使用的電源 產(chǎn)生一個穩(wěn)定的射頻等離子體需要真空系統(tǒng)等離子體射頻功率暗區(qū)或鞘層電極至真空泵平行板等離子體系統(tǒng)10離子化e- + AA+ + 2 e- 游離碰撞產(chǎn)生電子和離子 維持等離子體的穩(wěn)定 電子和中性原子或分子碰撞 把軌道電子敲離核的束縛11離子化的說明自由電子入射撞擊軌道電子兩個自由電子軌道電子原子核原子核12激發(fā)松弛e- + AA* + e-A* A +hn (光) 不同的原子/分子有不同的頻率,也就是為什么不同的氣體會發(fā)出不同的顏色. 偵測等離子體的發(fā)光變化來決定蝕刻和化學(xué)氣 相 沉 積 反 應(yīng) 室 清 潔 步 驟 的 終 端 點(diǎn)(endpoint)13激發(fā)碰撞入射撞擊電子基態(tài)

4、電子激態(tài)電子原子核原子核撞擊電子14松弛基態(tài)hnhnh:普朗克常數(shù)n:光的頻率激發(fā)態(tài)15分解 電子和分子碰撞，可以打斷化學(xué)鍵并產(chǎn)生自由基: e- + AB A + B + e- 自由基至少有一個未成對電子，化學(xué)上是容易起反應(yīng)的. 增加化學(xué)反應(yīng)速率 對蝕刻和化學(xué)氣相沉積制程非常重要16分解ABe-Be-A分子自由基17等離子體蝕刻 氧化物蝕刻制程，在等離子體中使用CF4 產(chǎn)生氟(F)的自由基e + CF4 CF3 + F + e4F + SiO2 SiF4 + 2O 增進(jìn)蝕刻制程的化學(xué)反應(yīng)18等離子體增進(jìn)化學(xué)氣相沉積化學(xué)反應(yīng) PECVD氧化物的制程用硅烷和N2O (笑氣)e + SiH4 SiH

5、2 + 2H + ee +N2O N2 + O + eSiH2 + 3O SiO2 +H2O 等離子體增進(jìn)化學(xué)反應(yīng) 在相對低溫下，PECVD可達(dá)高的沉積速率19問與答 為何在銅和鋁的濺鍍制程中，分解碰撞并不重要? 鋁和銅的濺鍍制程中僅使用惰性氣體氬氣。和其他氣體不同的是，惰性氣體是以原子而非分子的形式存在，因此在氬氣等離子體中并不會產(chǎn)生分解碰撞20問與答 在PVD制程中有分解碰撞嗎? 有，在氮化鈦(TiN)的沉積中，會用到氬氣(Ar)和氮?dú)?N2)。在等離子體中，氮?dú)鈺环纸舛a(chǎn)生自由基N，而自由基N又會和鈦產(chǎn)生反應(yīng)而在鈦靶表面形成氮化鈦，Ar+離子則會把氮化鈦分子從鈦靶表面濺射出來而使之沉積

6、在晶圓表面21表7.1 硅烷的分解碰撞碰撞 副產(chǎn)品副產(chǎn)品 形成所需的能量形成所需的能量 e- + SiH4 SiH2 + H2 + e- 2.2 eV SiH3 + H + e- 4.0 eV Si + 2 H2 + e- 4.2 eV SiH + H2 + H + e- 5.7 eV SiH2* + 2H + e- 8.9 eV Si* + 2H2 + e- 9.5 eV SiH2+ + H2 + 2 e- 11.9 eV SiH3+ + H + 2 e- 12.32 eV Si+ + 2H2 + 2 e- 13.6 eV SiH+ + H2 + H + 2 e- 15.3 eV 22問與答

7、 表7.1中哪種碰撞最有可能發(fā)生?為什么? 需要最少能量的碰撞便是最有可能發(fā)生的碰撞23平均自由程 (MFP) 粒子和粒子碰撞前能夠移動的平均距離.1n n是粒子的密度 是粒子的碰撞截面24平均自由程說明大粒子小粒子大粒子小粒子(a)(b)25平均自由程 (MFP) 壓力的影響 壓力越高, 平均自由程越短 壓力越低, 平均自由程越長1p26問與答 為何需要用到一個真空反應(yīng)室來產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體? 電子在大氣壓 (760托)的狀態(tài)下的平均自由程很短，電子很難去獲取足夠的能量使氣體離子化. 在一個極度強(qiáng)大的電場下，等離子體會形成弧光(arcing,像是閃電一樣)的型態(tài)，而非穩(wěn)定的輝光放電 (glo

8、w discharge)27帶電粒子的移動 電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子me mime:mH =1:1836 電子和離子具相同的電力F = qE 電子有較高的加速度a = F/m28帶電粒子的移動 射頻電場變化的非常快，電子可以快速的加速且開始碰撞，離子太重?zé)o法立即對交流的電場作出反應(yīng) 由于離子的碰撞截面較大所以有較多的碰撞，也因此減緩離子的運(yùn)動速度 在等離子體中電子移動的較離子快很多29熱速度 電子熱速度v = (kTe/me)1/2 射頻等離子體,Te 約 2eVve 5.93107 cm/sec = 1.33107 mph30磁力和螺旋運(yùn)動 磁力作用在一個帶電粒子上:F = qvB 磁力總是垂直粒

9、子的速度 帶電粒子沿著磁場線螺旋狀旋繞. 螺旋運(yùn)動(Gyro-motion)31螺旋運(yùn)動帶電粒子軌跡磁力線32螺旋轉(zhuǎn)動頻率 磁場中的帶電粒子作螺旋運(yùn)動環(huán)繞磁場線的頻率mqB33螺旋轉(zhuǎn)動半徑 在磁場中帶電粒子的回旋半徑,r, 可以下式表示:r = v/34能量能量,Ef(E)2 - 3eV具有足夠離子化能量的電子玻爾茲曼分布35離子轟擊離子轟擊 當(dāng)?shù)入x子體制程開始后，任何接近等離子體的東西都會產(chǎn)生離子轟擊 對于濺鍍、蝕刻和等離子體增強(qiáng)式化學(xué)氣相沉積非常重要 主要受射頻功率供給影響 壓力也會影響轟擊36離子轟擊離子轟擊 電子移動比離子快很多 電子首先到達(dá)電極和反應(yīng)室墻邊 電極帶負(fù)電，排斥電子，吸引

10、離子. 鞘極(sheath)電位差會加速離子朝向電極移動，并造成離子轟擊. 離子轟擊對濺鍍、蝕刻和等離子體增強(qiáng)式化學(xué)氣相沉積非常重要.37鞘層電位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+鞘層區(qū)VpVfx暗區(qū)大量等離子體鞘層電位電極38離子轟擊的應(yīng)用 幫助如何到達(dá)非等向性蝕刻輪廓 損傷機(jī)制 阻絕機(jī)制 氬濺鍍 縫補(bǔ)縫隙的介電質(zhì)蝕刻 金屬沉積 幫助控制PECVD制程中薄膜的應(yīng)力 較重的離子

11、轟擊，薄膜受到的壓應(yīng)力越大39直流偏壓和射頻功率的關(guān)系時間電壓(伏特)直流偏壓射頻電位等離子體電位40直流偏壓和射頻功率0時間等離子體電位0時間等離子體電位直流偏壓射頻電位直流偏壓較低的射頻功率 較小的直流偏壓 較高的射頻功率 較大的直流偏壓41離子轟擊 離子能量 離子密度 兩者受射頻功率控制42離子轟擊控制 增加射頻功率、增加直流偏壓，則離子密度也增加. 離子密度和離子轟擊能量都受射頻功率控制. 射頻功率是控制離子轟擊最重要的把手 射頻功率也用來做為增強(qiáng)式化學(xué)氣相沉積制程薄膜應(yīng)力的控制43化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室等離子體的直流偏壓Vp = 10 20V射頻熱電極接地電極暗區(qū)或鞘層區(qū)域44蝕刻反應(yīng)室

12、等離子體的直流偏壓直流偏壓0時間晶圓電位等離子體電位自偏壓45蝕刻反應(yīng)室等離子體的直流偏壓V2A2A1V1/V2 =(A2/A1)V1 = 200到 1000V4直流偏壓V146問與答 如果電擊的面積比例為1:3，試問直流偏壓和自偏壓之間的差值為何? 直流偏壓是V1,自偏壓是V1 V2,因此,他們的差值是V1 (V1 V2)/V1 =V2/V1 = (A1/A2)4 = (1/3)4 = 1/81 = 1.23%47問與答 我們是否可以在等離子體中插入金屬探針來測量等離子體電位V2? 可以，但是當(dāng)探針靠近等離子體時，它會受到電子快速移動的影響而帶負(fù)電，并在其表面和巨體等離子體間形成鞘層電位。

13、因此測量的結(jié)果端視于鞘層電位的理論模式，但是這理論模式至今尚未完全發(fā)展完備48離子轟擊和電極尺寸 越小的電極就會有較大的鞘層電壓，因此能產(chǎn)生較高能量的離子轟擊 大多數(shù)的蝕刻反應(yīng)室將晶圓放在較小的射頻熱電極49使用等離子體的優(yōu)點(diǎn) IC生產(chǎn)線的等離子體制程: 等離子體增強(qiáng)式化學(xué)氣相沉積 化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室的干式清洗 等離子體蝕刻 物理氣相沉積 離子注入50化學(xué)氣相沉積制程使用等離子體的好處 相對較低的溫度有較高的沉積速率. 獨(dú)立的薄膜應(yīng)力控制 反應(yīng)室干式清洗51PECVD和LPCVD的比較52高密度等離子體化學(xué)氣相沉積間隙填充 同時沉積和濺鍍 間隙的開口逐漸變細(xì) 金屬線之間的間隙從底部填充上來53

14、0.25 mm, A/R 4:1高密度等離子體CVD無空洞的間隙填充54蝕刻制程使用等離子體的好處 非等向性蝕刻輪廓 高蝕刻速率 光學(xué)式終端點(diǎn)偵測 減少化學(xué)藥品的使用和廢棄物的處理55物理氣相沉積制程使用等離子體的好處 氬氣濺射 薄膜品質(zhì)較高 不純度低和較高的導(dǎo)電系數(shù) 較好的均勻性 較好的制程控制 制程整合能力較高. 較容易沉積金屬合金薄膜56PECVD和等離子體蝕刻反應(yīng)室 CVD:添加材料到晶圓的表面 自由基 為了應(yīng)力控制的一些離子轟擊 蝕刻: 將材料由晶圓表面移除 自由基 激烈的的離子轟擊 喜低壓，較好的離子定向性57PECVD反應(yīng)室 離子轟擊控制薄膜的應(yīng)力 晶圓放在接地電極 射頻熱電極和

15、接地電極兩者有相同的面積 非常小的自我偏壓 離子轟擊能量大約10 20 eV,主要是由射頻功率大小決定58PECVD反應(yīng)室的示意圖等離子體吸盤RF晶圓59等離子體蝕刻反應(yīng)室 離子轟擊 移除晶圓表面材料 打斷化學(xué)鍵 晶圓所在的電極面積較小 自我偏壓 離子轟擊能量 晶圓上 (射頻熱電極): 200 1000eV 反應(yīng)室蓋子 (接地電極): 10 20 eV.60等離子體蝕刻反應(yīng)室 激烈的離子轟擊產(chǎn)生熱能 需要控制溫度以保護(hù)做為圖案光罩的光刻膠 水冷式晶圓冷卻臺(夾盤,陰極) 低壓不利于從晶圓轉(zhuǎn)移熱能到夾盤 需要把氦氣注入晶圓的背面 夾環(huán)或靜電夾盤 (E-夾盤)抓住晶圓61等離子體蝕刻反應(yīng)室 蝕刻在

16、低壓下進(jìn)行 較長的平均自由程,較多的離子能量和較少的濺鍍 低壓, 長平均自由程,較少離子化碰撞 很難產(chǎn)生和支撐等離子體 磁極用來強(qiáng)迫電子以螺旋路徑移動去增加碰撞的機(jī)會62等離子體蝕刻反應(yīng)室示意圖制程氣體等離子體制程反應(yīng)室副產(chǎn)品被真空泵抽走夾盤射頻功率 晶圓背端用氦氣冷卻 磁場線圈晶圓63遙控等離子體制程 需要自由基 增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng) 避開離子轟擊 避免等離子體誘生傷害 遙控等離子體系統(tǒng)因此應(yīng)運(yùn)而生64制程氣體等離子體微波或射頻功率制程反應(yīng)室副產(chǎn)品被真空泵抽走遙控等離子體反應(yīng)室自由基加熱板遙控等離子體系統(tǒng)65光刻膠剝除 蝕刻后立即移除光刻膠 O2 和H2O的化學(xué) 可以整合到蝕刻系統(tǒng) 臨場蝕刻和光刻膠

17、剝除 同時改善生產(chǎn)率和良率66光刻膠剝除制程H2O, O2等離子體OO H微波制程反應(yīng)室H2O,CO2,至真空泵遙控等離子體反應(yīng)室OOOHH表面有光刻膠的晶圓加熱板67遙控等離子體蝕刻 應(yīng)用: 等向性蝕刻制程: 硅的局部氧化或淺溝槽絕緣氮化物剝除 酒杯狀接觸窗孔蝕刻 可以整合再等離子體蝕刻系統(tǒng) 改善生產(chǎn)率 部分往取代濕式蝕刻制程努力68NF3等離子體FFFFN2N2F微波制程反應(yīng)室N2,SiF4, 至真空泵遙控等離子體反應(yīng)室加熱板晶圓遙控等離子體蝕刻系統(tǒng)69遙控等離子體清潔法 沉積不只發(fā)生在晶圓表面 CVD反應(yīng)室需要例行清潔 避免薄膜破裂的粒子污染物 等離子體清潔一般使用氟碳化合物的氣體 離子

18、轟擊影響零件的壽命 氟碳化合物的分解率低 環(huán)保人士很在意氟碳化合物的釋出70遙控等離子體清潔法 微波高密度等離子體 自由基流入CVD反應(yīng)室 和沉積薄膜反應(yīng)并且移除 清潔反應(yīng)室 緩和的制程,延長零件的壽命 高分解,少量氟碳化合物釋出71NF3等離子體FFFFN2N2F微波CVD反應(yīng)室N2,SiF4, 至真空泵遙控等離子體反應(yīng)室加熱板遙控等離子體清潔法示意圖72遙控等離子體CVD (RPCVD) 磊晶硅鍺(Si-Ge)材料為高速雙載子互補(bǔ)型金氧半晶體管 仍在研發(fā)中 匣極介電質(zhì):SiO2, SiON,和Si3N4 高介電常數(shù)(k) :HfO2,TiO2,和Ta2O5 PMD氮化物阻擋層 LPCVD:

19、熱積存的限制 PECVD:限制等離子體誘發(fā)損傷73高密度等離子體(HDP) 能在低壓下產(chǎn)生高密度等離子體是最大的希望 低壓有較長的平均自由程，較少的離子濺鍍，增進(jìn)蝕刻輪廓的控制. 密度越高,離子和自由基也越多 增進(jìn)化學(xué)反應(yīng) 增加離子轟擊 對CVD制程,HDP在臨場,同步沉積/回蝕/沉積時增進(jìn)間隙填充能力74平行平板等離子體源的限制 電容耦合型等離子體源 無法產(chǎn)生高密度等離子體 在低壓下即使在磁場中，要產(chǎn)生等離子體仍然很難,約幾毫托(mTorr) 電子的平均自由程太長,無法形成足夠的離子化碰撞75平行平板等離子體源的限制 不能單獨(dú)控制離子束流和離子能量 兩者直接與射頻功率相關(guān) 較佳的制程控制需要

20、一個可以單獨(dú)控制離子通量和離子能量的等離子體源76感應(yīng)耦合型等離子體(ICP)和電子回旋共振(ECR) 在IC工業(yè)上最常使用 感應(yīng)耦合型電漿, ICP 亦稱作變壓器耦合等離子體源,TCP 電子回旋共振, ECR ICP可以在低壓的狀態(tài)(幾個毫托)制造高密度等離子體 可以單獨(dú)控制離子束流和離子能量77感應(yīng)耦合型等離子體(ICP) 射頻電流通過線圈時，經(jīng)由感應(yīng)耦合會產(chǎn)生一個隨時間變化的電場 回旋型電場使電子加速也是往回旋方向加速. 電子因回旋而能移動很長的距離而不會撞到反應(yīng)室墻壁或電極. 離子化碰撞能在低壓狀態(tài)產(chǎn)生高密度等離子體78感應(yīng)耦合型等離子體(ICP) 偏壓射頻功率控制離子轟擊能量 射頻功率來源控制離子束流 必須有一個背面氦氣冷卻系統(tǒng)和靜電夾盤(E-chuck)來控制晶圓溫度79感應(yīng)耦合原理示意圖線圈中射頻電流 射頻磁場 感應(yīng)電場80ICP反應(yīng)室示意圖氦氣射頻偏壓晶圓靜電夾盤等離子體感應(yīng)線圈射頻功率源反應(yīng)室主體陶瓷蓋81ICP的應(yīng)用 介