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1、半导体制造技术导论（第二版） 第七章等离子体工艺 白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系 简介 等离子体基本概念 等离子体中的碰撞 等离子体参数 离子轰击 直流偏压 等离子体工艺优点 等离子体增强化学气相沉积及等离子体刻蚀反应器 遥控等离子体工艺 高密度等离子体工艺 提纲 简介 刻蚀 等离子体刻蚀、干法刻蚀 电介质沉积 等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 高密度等离子体化学气相沉积 (HDP-CVD) 离子注入 等离子体源制造晶圆掺杂所需离子，并提供电子中和晶圆表面的正电荷 物理气相沉积 (PVD) 利用离子轰击金属靶表面，是金属溅镀沉积于晶圆表面 遥控等离子体系统 清洁机台反应室、薄
2、膜去除、薄膜沉积 等离子体工艺的应用 等离子体基本概念 等离子体的成分 等离子体是具有等量正电荷和负电荷的离子气体 等离子体由中性原子或分子、负电子和正离子组成 电子浓度大约和离子浓度相等，即= 离化率 电子浓度和所有气体浓度的比例 离化率主要有电子能量决定，而电子能量则由施加的功率控制 离化率也与压力、电极间的距离、制造中使用的气体种类、等离子体反 应器设计有关 等离子体的成分 = / + 射频(RF)等离子体源 电容耦合式等离子体源 半导体制造中最普遍的等离子体源 直流电位偏压热灯丝系统 直流(DC)等离子体源 感应耦合型等离子体源(ICP) 电子回旋共振(ECR)等离子体源 微波(MW)
3、遥控等离子体源 等离子体的产生 电容耦合式等离子体源 电容耦合式等离子体源示意图 等离子体中的碰撞 弹性碰撞 碰撞分子间没有能量交换 非弹性碰撞 离子化碰撞 激发松弛碰撞 分解碰撞 其他碰撞：再复合、电荷交换、投掷角度散射、中性分子间碰撞 等离子体中的碰撞 离子化碰撞 电子碰撞前后的离化碰撞 + + 2 激发松弛碰撞 激发碰撞前后的示意图 + + 激发松弛碰撞 松弛过程示意图 + 分解碰撞 分解碰撞示意图 e+ ABA + B + e 碰撞副产品所需能量 e+ SiH4SiH2+ H2+ e2.2 eV SiH3+ H + e4.0 eV Si + 2H2+ e4.2 eV SiH + H2+
4、 H + e5.7 eV SiH2 + 2H + e8.9 eV Si+ 2H2+ e9.5 eV SiH2 + + H2+ 2e11.9eV SiH3 + + H + 2e12.32 eV Si+ 2H2+ 2e13.6 eV SiH+ H2+ H + 2e15.3 eV PECVD硅烷等离子体中的碰撞 等离子体参数 平均自由程 (MFP) 粒子和粒子碰撞前能够移动的平均距离 热速度 磁场中的带电粒子 带电粒子环绕磁力线螺旋转动频率，螺旋转动半径 波尔兹曼分布 热平衡等离子体中，电子和离子的能量服从波尔兹曼分布 等离子体参数 = / 1/2 = 1 2 1 = , = / 平均自由程 (a)
5、 具有较短平均自由程的高压情况；(b) 具有较长平均自由程的低压情况 磁场中的带电粒子 带电粒子在磁场中的螺旋运动 = , = / 玻尔兹曼分布 电子能量分布 离子轰击 鞘层电位 电子的移动速度比离子快得多，反应室壁和电极都会带负电 带负电的电极排斥电子而吸引离子，因此电极附近的离子比电子多 由正电荷和负电荷的差值在电极附近形成的电场称为鞘层电位 离子轰击 鞘层电位将离子加速向电极移动，造成离子轰击 是等离子体的重要特征，任何接近等离子体的材料都会受到离子轰击 影响刻蚀的速率、选择性和轮廓，影响沉积速率和沉积薄膜应力 离子的能量：取决于外部功率供给、反应室压力、电极间距、工艺过程 所用气体、射
6、频等离子体系统的射频频率 离子的流量：取决于等离子体密度、外部功率供给、反应室压力、电极 间距、反应室气体 离子轰击 等离子体鞘层电位 等离子体鞘层电位 直流偏压 等离子体电位和直流偏压 等离子体电位和直流偏压 直流偏压和射频功率的关系 直流偏压和射频功率的关系 (a) 低射频功率，低直流偏压；(b) 高射频功率，高直流偏压 对称电极系统等离子体电位 具有对称电极的射频等离子体电位 非对称电极系统直流电位 非对称电极射频系统直流电位 非对称电极系统等离子体电位 非对称电极系统等离子体电位 等离子体工艺优点 等离子体对半导体技术的作用 离子轰击对溅镀沉积、刻蚀和CVD薄膜应力控制非常重要 电子离
7、化分子产生的自由基将显著提高CVD和刻蚀工艺的化学反应速率 等离子体中受激发松弛机制产生的辉光能够表明等离子体刻蚀和等离 子体反应室清洁过程中的光学终点 CVD工艺中使用等离子体的主要优点 较低温度下获得高沉积速率 利用离子轰击控制沉积薄膜的应力 利用氟为主的等离子体对沉积反应室进行干式清洗 高密度等离子体源具有优良的间隙填充能力 PECVD工艺的优点 硅烷氧化物PECVD分解碰撞 二氧化硅生成 PECVD中的等离子体 e+ SiH4SiH2+ 2H + e e+ N2ON2+ O + e SiH2+ 2OSiO2+ 其他挥发性副产品 工艺名称LPCVD (150 mm)PECVD (150
8、mm) 化学反应SiH4+ O2 SiO2+ SiH4+ N2O SiO2+ 工艺参数p=3 Torr, T=400p=3 Torr, T=400, RF=180 W 沉积速率100200 /min8000 /min 工艺设备批量系统单一晶圆系统 晶圆与晶圆均匀性难控制易控制 PECVD和LPCVD比较 应力控制 PECVD中的离子轰击可用来控制CVD薄膜的应力 射频系统的功率能独立控制PECVD薄膜应力，而且不会对其他沉积特性 造成影响，如沉积速率、薄膜均匀性 反应室净化 PECVD应力控制和反应室净化 e+ CF4CF3+ F + e e+ C2F6C2F5+ F + e F + SiO2
9、SiF4+ O + 其他挥发性副产品 PECVD间隙填充 高密度等离子体CVD沉积的二氧化硅 填充了0.25m宽、深宽比4:1的金属间隙 等离子体刻蚀的优点 非等向性刻蚀轮廓 自动终点检测 化学品消耗量较低 合理的高刻蚀速率 好的刻蚀选择性 好的刻蚀均匀性 等离子体溅镀沉积的优点 产生的薄膜具有较高质量、较少杂质、较好的导电性 等离子体溅镀沉积具有较好的均匀性、工艺控制、工艺兼容性 等离子体溅镀沉积金属合金薄膜比蒸镀方式容易得多 等离子体刻蚀和溅镀沉积的优点 等离子体增强化学气相沉积 及等离子体刻蚀反应器 等离子体增强CVD (PECVD) CVD工艺过程是添加材料到衬底的表面 PECVD的压
10、力通常在110 Torr PECVD反应室射频电极和接地电极面积基本相同，具有较小的自偏压 离子轰击能量为1020 eV 等离子体刻蚀 刻蚀工艺过程是将材料从衬底表面移除 刻蚀需要在较低压力下进行 刻蚀过程的压力为30300 mTorr 刻蚀反应室射频电极比接地电极面积小，具有较大的自偏压 离子轰击能量在晶圆端为2001000 eV，在接地电极端大约为1020 eV 工艺的差异性 等离子体增强CVD反应室 等离子体增强CVD反应室示意图 等离子体刻蚀反应室 等离子体刻蚀反应室示意图 遥控等离子体工艺 遥控等离子体系统 有些工艺过程只需要自由基增强化学反应 并且避免离子轰击引发等离子体诱生损伤
11、遥控等离子体工艺 遥控等离子体去光刻胶 遥控等离子体刻蚀 遥控等离子体清洁 遥控等离子体CVD (RPCVD) 遥控等离子体工艺 遥控等离子体系统 遥控等离子体系统示意图 遥控等离子体去光刻胶 遥控等离子体去光刻胶系统示意图 遥控等离子体清洁 遥控等离子体清洗示意图 高密度等离子体工艺 高密度等离子体 (HDP) 对于刻蚀，能增加对刻蚀轮廓的控制，提供更多自由基增加刻蚀速率 对于CVD，能在临场、同步沉积/回刻蚀/沉积时达到很好的间隙填充能力 感应耦合型等离子体 (ICP) 又称变压器耦合等离子体(TCP) HDP电介质CVD系统、硅、金属和电介质HDP刻蚀系统、原生氧化物溅 镀清洁系统、离子化金属等离子体PVD系统 电子回旋共振 (ECR) 可以通过调整磁场线圈的电流来控制等离子体的位置，提供工艺均匀性 高密度等离子体 感应耦合型等离子体 (a) 感应耦合原理示意图；(b) 感应耦合型等离子体反应室 电子回旋共振 (a) 电子回旋共振原理图；(b) 电子回旋共振反应室 本章结束
