（凝聚态物理专业论文）碳氟感应耦合等离子体及其sio2介质刻蚀研究.pdf

碳氟感应耦合等离子体及其s i 嘎介质刻蚀研究 中文摘要 中文摘要 直至目前，微电子器件中最常使用的层问介质仍然是s i 0 2 ，其刻蚀主要使用的 是碳氟等离子体。对此，国内外研究者已进行了大量的研究。但由于等离子体的复杂 性，直到目前，碳氟等离子体的s i q 刻蚀机理还并未被完全理解。 使用了碳氟感应耦合等离子体对s i 0 2 介质进行刻蚀并通过改变源气体流量比r a 陋 c 4 f d c 4 f s + a r ) 、射频源功率、自偏压等条件对其进行了研究。碳氟等离子 体由朗谬尔探针( l a n g m u i rp r o b e ) 和发射光谱( o e s ) 监测。结果表明，s i 0 2 的刻 蚀速率随放电源功率和射频自偏压的增大而单调上升。但不随r 单调变化，而是在 r = 8 处存在刻蚀速率峰值。c 2 基匝的发射谱线强度随r 的变化类似于s i 0 2 刻蚀速 率对r 的依赖关系，对此给出了解释。在此基础上，对s i 0 2 介质光栅进行了刻蚀。 结果显示，在较大的r 及自偏压等条件下，刻蚀后的槽形呈现出锥形图案，同时光 劾胶掩膜图形出现分叉。结合扫描电镜技术对此进行了分析，认为光刻胶表面与侧面 的能量传递和聚合物再沉积等是导致出现上述现象的原因。 关键词：感应耦合等离子体，刻蚀，发射光谱，扫描电镜 作者：虞一青 指导老师：宁兆元辛煜 碳氟感应耦合等离子体及其s i 如介质刻蚀研究 英文摘要 a b s t r a c t s i 0 2i ss t i l lu s e de x t e n s i v e l ya st h ed i e l e c t e i ci nt h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya n di s e t c h e db yf l u o r o c a r b o np l a s m a s t h o u g hh a v el o n gb e e ns t u d i e d t h ee t c hm e c h a n i s mh a v e n o tb e e nc o m p l e t e l yu n d e r s t o o d b ya d j u s t i n gg a sf l o wr a t i or a 贮【c 4 f 8 】 【c 4 f 8 】+ a r 】) ) ，s o u r c ep o w e ra n ds e l f b i a s ，t h e e t c h i n go fs i 0 2i na na r + c 4 f si n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a i sc a r r i e do u tw h i l et h e f l u o r o c a r b o np l a s m ai sm o n i t o r e db yo p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p y ( o e s ) a n dl a n g m u i r p r o b e i ti sf o u n dt h a tt h es i 0 2e t c h i n gr a t ei n c r e a s e sw i t l lt h ei n c r e a s eo fb o t hs o u r c e p o w e ra n ds e l f - b i a sv o l t a g e a sri n c r e a s e s ，h o w e v e r , t h ev a r i a t i o no ft h ee t c hr a t ei sn o t m o n o t o n i c b u tt h em a x i m u mv a l u ei sl o c a t e da tr = 8 p r o v i d e dt h a tt h er e a c t i o nb e t w e e n g a s - p h a s ei o u s r a d i c a l sa n df l u o r o c a r b o np o l y m e r o nc h a m b e r s u b s t r a t es u r f a c ec o n t r i b u t e s m a i n l y t ot h ep r o d u c t i o no f c 2r a d i c a l ，t h ed e p e n d e n c eo f c 2e m i s s i o ni n t e n s i t yo ng a sf l o w r a t i ori ss i m i l a rt ot h a to ft h ee t c hr a t ei se x p l a i n e d b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h e v a r i a t i o no fe t c hp r o f i l e sw i t he t c h i n gc o n d i t i o n si si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h et a p e r e de t c hp r o f i l ea n dt h ep h o t o r e s i s tb r a n c h e sa l ec a u s e db yf l u o r o c a r b o np o l y m e r l a y e rt o g e t h e rw i t ht h er e d e p o s i t e de t c hp r o d u c t so nt h es i d e w a l l ，e s p e c i a l l yu n d e rl a r g e rr a n dh i g h e rs e l f - b i a sv o l t a g ec o n d i t i o n k e y w o r d s ：i n d u c t i v e l y c o u p l e dp l a s m a , o p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p y , d i e l e c t r i ce t c h i n g , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e w r i t t e nb yy uy i q i n g s u p e r v i s e db yn i n gz h a o y u a n x i ny u u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名： 辑日 期：j 塑她 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：叁二鱼曰 期： 竺z ：丝 导师签名：；锄6 9 9 i a _ j , 日 期：j 圭! 皿 i 7 碳氟感应耦合等离子体及其s i 嘎介质刻蚀研究 第一章引言 第一章引言 等离子体是除固态、液态和气态以外的第四种物质状态。一般所说的等离子体 是指由正、负带电粒子和中性粒子组成，整体呈电中性并表现出集体行为的电离气体 】。等离子体通常由放电产生，若放电气压在数百帕以下则产生的等离子体常处于非 平衡状态。此时，电子在与离子或中性粒子等重粒子的弹性碰撞过程中几乎不损失能 量。如果我们用t c 、t i 、t n 分别表示电子、离子和中性粒子的温度，那么将有有t c t i 、t n ，我们把这样的等离子体称为低温非平衡态等离子体。这对等离子体化学与工 艺来说是十分有意义的。一方面，电子具有足够高的能量以使反应物分子激发、离解、 电离，另一方面反应体系又得以维持低温，乃至接近室温，并具有设备投资少，省能 源等优点。因此在半导体工业等领域中得到了广泛而有效地应用【2 1 。 低温等离子体的生成方法主要有直流放电、高频放电和微波放电。与直流放电 电源相比，高频放电电源的成本要高出许多。但它仍然获得了许多工业应用，主要原 因是高频放电的众多优点克服了较高成本带来的不利影响。高频放电最重要的优点之 一是：它与等离子体的互作用是通过位移电流，而不是传导电流来实现的，因而无需 电极与等离子体相接触即可实现互作用。这点对于许多应用是重要的。特别当产品纯 度的控制是一重要因素时，电极引起的污染是一严重的缺点。没有携带电流的电极与 等离子体相接触，还可改善其可靠性、生产重复性、等离子体反应器本身的寿命及产 品的质量嘲。 1 1 研究背景及历史附l 随着半导体科技的迅猛发展，低温等离子体加工技术在微电子工业中的重要性 愈发凸显。据统计，在整个集成电路生产的大约5 0 0 道工序中，有6 0 左右要用到 等离子体。例如物理气相沉积( p v d ) 以及等离子体增强化学气相沉积技术( p e c v d ) 。 尤其是在层间介质的刻蚀上，等离子体刻蚀技术更是必不可少的。 早期的集成电路工艺中，湿法刻蚀得到了广泛应用。这种方法工艺简单，设备易 碳氟感应耦合等离子体及其s i 嘎介质刻蚀研究 第一章引言 于建立，成本低，刻蚀速率高，选择性很好。但也有一些缺点，如刻蚀的各向异性差， 会产生大量废液，形成公害。现在，湿法刻蚀已大部分被等离子体刻蚀所取代，这主 要是因为以下两个原因。首先，在等离子体中会产生极具活性的化学物质，同非等离 子体环境下的化学物质相比，它们可以更为有效的参与刻蚀。等离子体刻蚀取代湿法 刻蚀的第二个原因，也是更为重要的一个原因是等离子体刻蚀系统能够提供良好的各 向异性刻蚀。为了追求更高密度的结构，集成电路的特征尺寸不断减小，这就需要定 向亥9 蚀来减小钻蚀和刻蚀偏差。等离子体中存在离子，电场可以将它们垂直导向刻蚀 表面，这样就实现了定向刻蚀。 在等离子体刻蚀中，参与刻蚀的主要物质是离子和中性活性化学物质。当只有活 性中性物质作用于刻蚀时，该过程或机理就被称为化学刻蚀。多数情况下自由基是活 性化学物质。自由基呈电中性，化学键不完整，也就是说它们的原子核外有未成对的 电子。由于存在不完整的化学键结构，自由基的化学活性很高。如氟原子最外层有七 个电子，因而极易与其他原子结合，形成满壳层的稳定结构。等离子体刻蚀就是利用 中性活性物质同待刻材料，如s i 等发生反应从而进行刻蚀。这也是i c 制造中往往采 用含卤气体作为刻蚀源气体的原因。 由于自由基是通过与待刻物质发生化学反应来进行刻蚀的，与湿法刻蚀相似，等 离子体中的化学刻蚀也是各向同性的，并具有良好的选择性。 当只有离子作用于刻蚀时，就称为物理刻蚀。在等离子体系统中，离子通过物理 溅射作用对材料进行刻蚀。由于电场方向是从等离子体区指向基片表面的，因而同中 性自由基相比，离子的方向性就非常明显。这样一来，刻蚀就更倾向于定向性和各向 异性。 当离子和活性中性物质协同作用时，这样的刻蚀就称为离子增强刻蚀。在这一过 程中，等离子体中的化学成分和物理成分以某种方式协同作用于材料的刻蚀反应。由 于存在化学物质反应，刻蚀的选择性将会提高。因此采用等离子体增强刻蚀，不仅可 以获得各向异性的刻蚀结构，还可以获得良好的选择刻蚀。化学刻蚀或物理刻蚀两者 中的任一个单独作用是很难达到这一点的。 图1 1 是c o b u m 等人给出的一个离子增强刻蚀的经典示例。可以看到，仅有x e f 2 气体时，s i 的刻蚀速率很低。保持x e f 2 气体不变，引人a 什离子轰击硅片表面，刻 2 碳氟感应耦合等离子体及其s i 0 2 介质刻蚀研究第一章引言 蚀速率增加了约一个数量级。关掉x e f 2 气体，只有离子溅射作用时，刻蚀速率几乎 降到了零。从这个例子可以明显看出化学刻蚀和物理刻蚀的协同增强作用。 夸 l 薹 主 翼 r i m e 图1 1s i 刻蚀速率随刻蚀方式的变化 对这种协同作用，人们已提出许多机理和解释来说明。一般认为离子轰击会增强 化学刻蚀过程中的某一环节，如表面吸附、刻蚀过程中的化学反应、刻蚀副产物的生 成及其去除等。例如离子轰击会造成表面损伤，而使自由基更易与材料表面发生化学 反应；或者离子轰击会加速挥发性副产物的生成，也使刻蚀副产物更容易去除。 在早期的等离子体刻蚀系统里，反应离子刻蚀( r 皿) 是比较常见的。它对平行板 刻蚀系统进行了一定的改进，以s i 的刻蚀为例，射频电压加在载片的底电极上，同 时底电极尺寸缩小或进一步将上电极与反应腔壁共同接地，使上电极的有效尺寸比底 电极的要大得多。最终使压降主要加在底电极上，从而增加离子轰击硅片的能量，增 强物理组分参与刻蚀的能力。由于这个系统同时引人了离子和中性活性粒子，也有人 提出更恰当的叫法应该是“反应和离子刻蚀”。在标准r i e 系统的基础上，人们还通 过其他措施对其进行改进。如施加磁场；或添加一个分立的射频电源，使等离子体的 生成和离子轰击能量分离开来。人们还开发了其他一些高密度等离子体( h d p ) 刻蚀 系统。与r i e 系统相比，这些系统的等离子体产生方式是非容性耦合的，如电子回旋 共振( e c r ) 和感应耦合等离子体( i c p ) 源。 碳氟感应耦台等离子体及其s i m 介质刻蚀研究 第一章引言 1 2 研究现状 在e c r 等离子体中，o e h r l e i n 等人使用c f 4 和c h f 3 作为源气体研究了s i 0 2 对 s i 的选择刻蚀 6 , 7 1 。实验结果表明，随着刻蚀过程中基片负偏压的变化，s i 晚的刻蚀 情况有了很大差异。o e h r l e i n 等将s i 0 2 的刻蚀随负偏压的变化划分为三个阶段：基片 负偏压较低时，碳氟基团在基片表面沉积，此时s i 0 2 的刻蚀速率为负。之后，随着 负偏压的增大，当超过某一阈值电压时将进入碳氟薄膜抑制区。在此阶段， s i 0 2 的 刻蚀开始进行，且其刻蚀速率强烈依赖于碳氟薄膜的厚度。不过，这一阈值电压依赖 于气压以及刻蚀气体的种类。最后在很大的负偏压条件下，进入s i 0 2 溅射区。在这 一区间，碳氟薄层已不是影响s i 0 2 的刻蚀速率的主要因素。 随后，o e h r l e i n 小组又采用i c p 实验装置对s i 0 2 、s i ，s i 3 n 4 等进行了详细研究嘲。 n r r u e g e r 等人 9 1 以c h f 3 为源气体刻蚀s i 0 2 时发现，与e c r 等离子体中的情况相 似，感应耦合等离子体中s i 0 2 的刻蚀速率随负偏压的变化也存在碳氟沉积区、碳氟 抑制区和s i 0 2 溅射区。作者使用x 射线光电子能谱( s ) 研究了s i 0 2 表面碳氟薄 膜成分及厚度的变化，发现随着基片负偏压的增加，碳氟膜中的f 含量相对降低。同 时碳氟膜的厚度也不断减小，并且s i 0 2 刻蚀速率与碳氟膜厚度近似成反比关系。作 者提出，s i 0 2 的刻蚀需要能量以打断s i o 键。在s i 0 2 的碳氟等离子体刻蚀中，s i 0 2 表面始终存在着一层极薄的碳氟膜。这层薄膜的存在阻碍了离子能量的传递。因此， 虽然薄膜的厚度仅几个纳米，但其微小变化却会导致刻蚀速率的巨大差异。当负偏压 足够大时，薄膜厚度的降低使其对离子能量的影响可以忽略，因此这时碳氟膜不再是 影响刻蚀速率的主要决定因素。 l i ) ( i 等【l o 】研究了0 2 和a r 的添加对c , f 8 等离子体刻蚀的影响。作者认为，相对 于纯c 4 f 8 放电， f 的添加可以使等离子体密度大幅增加；而0 2 的添加对等离子体密 度的影响则相对较小。借助于红外激光吸收光谱( 沮a s ) ，发现a r 的少量添加使 c f 、c f 2 基团的密度上升；而0 2 的添加则使c f 、c f 2 的密度下降。当c 4 f a r 混合 气体中a r 含量在9 0 左右时，在维持较高s i 0 2 刻蚀速率的同时还能获得较好的s i 0 2 对s i 以及s i 0 2 对光刻胶的刻蚀选择比。 l i ) ( i 等还使用c d d a r 和c 4 f s a r 作为源气体在i c p 装置中刻蚀了s i 0 2 、s i t l l 】。 4 碳氟感应耦合等离子体及其s i m 介质刻蚀研究 第一章引言 通过红外激光吸收光谱，作者发现在这两种等离子体中c f 2 基团的密度都要比c f 基 团高出一个数量级以上。a r 的添加使刻蚀表面碳氟膜中的f 含量大幅降低，并因此 导致s i 0 2 对s i 刻蚀选择比的上升。 b a r e l a 等1 1 2 1 通过使用红外激光吸收光谱研究了c 4 f d a r 感应耦合等离子体中c 2 f 4 ， c f 2 基团的作用。实验中发现c 4 f 8 最主要的分解产物是c f f 4 和c f 2 基团。随着基片 负偏压的增加，基片表面附近的c 2 f 4 ，c f 2 和c f 基团的密度都有下降。考虑到c f 基团的密度要低一个数量级以上，因此刻蚀过程中应当是c f f 4 ，c f 2 基团作为主要的 刻蚀前驱基团。 鉴于碳氟等离子体在刻蚀中所起的重要作用，r a u f 等人采用一个二维模型对a r 与c 4 f 8 混合气体的感应耦合等离子体放电进行了模拟研究并与实验进行了比较【1 3 】。 他们的研究结果显示，在相当宽广的参数范围内，c 4 f 8 主要分解成了c 2 f 4 基团。在 进一步的分解反应中，c f 2 基团是最主要的产物；而f 一离子则是最主要的负离子。随 着混合气体中a r 含量的上升，等离子体的电负性减弱，到达基片表面的离子通量得 到了加强。 此外，s c h a e p k e n s 等人 1 4 , t s l 还通过改变源功率频率等条件对s i 0 2 微区结构的刻蚀 缺陷等进行了研究。另外还发现，在刻蚀过程中反应容器壁对刻蚀有着重要影响【1 6 1 。 当器壁温度高于某一特定温度时，器壁处将不会有净的碳氟基团沉积。由于器壁处碳 氟沉积的减少，在温度较低的基片处的碳氟沉积会加强，这将不可避免地对基片的刻 蚀产生影响。为了获得稳定的刻蚀选择性以及均匀性，作者建议应当对器壁温度进行 很好的控制。总的来说，o e h r l e i n 小组在碳氟等离子体的刻蚀方面做了大量基础、细 致的实验研究。 m a t s u i 等人【17 1 8 】采用a r 、c 4 f 8 以及少量0 2 作为源气体，在一个双频( 2 7 0 8 m h z ) 电容耦合等离子体装置中对s i 0 2 、s i 、s i 3 n 4 进行了刻蚀。作者发现s i 0 2 的刻蚀速率 并不随源气体中c 4 f 8 含量的上升而单调增加，而是首先上升至一峰值随后降低并保 持稳定。利用x p s 和透射电镜，作者观察到了刻蚀表面的碳氟层，发现刻蚀速率受 离子能量和碳氟薄膜厚度的强烈影响。此外，在s i 、s i 3 卜i 4 表面还观察到了一主要成 分为s i 、f 、0 的“反应层”。这一反应层被认为是s i 、s i 3 n 4 的刻蚀中间产物，其厚 度随着碳氟薄膜厚度的增加而减小。与o e h r l e i n 小组类似，作者也认为刻蚀速率依赖 碳氟感应耦合等离子体及其s 地介质劾蚀研究第一章引言 于通过刻蚀表面聚合薄层的离子能量，不同基片表面碳氟聚合膜厚度的差异是选择性 刻蚀的根源。为获得高选择比刻蚀，作者提出s i 0 2 表面的碳氟层应尽量薄以使离子 通过时能量不受太大损失；而s i 、s i 3 n 4 表面的碳氟层应当较厚，以减小离子能量使 刻蚀速率降低。 法国的g a b o r i a u 小组【1 ”1 1 向刻蚀源气体中掺入h 2 和c h 4 来调制等离子体，通过 改变等离子体化学组分以及驻留时间等研究了对s i 0 2 、s i 刻蚀的影响。他们发现， s i 的刻蚀速率同时依赖于碳氟层的厚度以及空间的f 基团密度。s i 表面的碳氟层厚 度一般大于5 个纳米，当碳氟层厚度维持不变时，s i 的刻蚀速率随f 密度的的增加 线性上升；而s i 0 2 表面的碳氟层厚度则始终小于1 个纳米。随着驻留时间的增加， 所有不同源气体条件下s i 0 2 的刻蚀速率均呈下降趋势；而s i 的刻蚀速率还依赖于源 气体成分。与掺入氢气相比，甲烷的添加在保持s i 0 2 较高刻蚀速率的同时能够获得 更高的刻蚀选择比。作者还发现刻蚀选择性与源气体分子的( c + h ) f 这一比值密切相 关，而不是通常认为的c f 比。 c a t h e r i n e 等人【2 2 】使用发射光谱以及x p s 等对c 4 f 8 感应耦合等离子体本身以及 碳氟薄膜的沉积进行了研究。x p s 结果显示，在低气压、高功率的情况下，沉积的薄 膜有高的f c 比；而在高气压、低功率的条件下，所得薄膜的f c 比较低。相应的， o e s 显示低气压、高功率时c 2 、c 3 和f 基团的谱线占主导地位；高气压、低功率时 贝u 是c f 2 基团的谱线为主要的发射谱线。作者也简要介绍了s i 的各向异性深度刻蚀 方法即b o s c h 法。首先通过碳氟气体放电生成一层碳氟聚合膜，随后使用s f 6 等作为 刻蚀气体进行高速刻蚀。在槽形侧壁上由于缺少离子的轰击，碳氟钝化层起到了保护 作用使侧壁不被刻蚀。而槽形底部受离子轰击与化学刻蚀的协同作用，将达到很高的 刻蚀速率。不断重复这两个步骤，就可以进行各向异性的深孔刻蚀。 z h a n gd a 等利用等离子体动力学和等离子体设备混合模型模拟了碳氟等离子体 中基片的刻蚀情况田】。模拟中考虑了基片偏压，加的添加以及表面吸附等因素的影 响并与实验结果进行了比较。他的结果与o e h r l e i n 小组在某些方面是吻合的，如都提 到了基片表面碳氟层对刻蚀的影响。另外也给出了s i 和s i 0 2 的刻蚀机理。无论是s i 还是s i 0 2 ，其表面都会沉积一层碳氟薄膜。对s i 刻蚀，f 原子首先吸附在碳氟膜的 表面，然后通过扩散进入碳氟层到达s i 表面，与s i 反应生成刻蚀产物s i f x 。对s i 0 2 ， 6 碳氟感应耦合等离子体及其s i 仉介质刻蚀研究第一章引言 碳氟膜中的c f x 基团与s i 0 2 反应生成s i f 。c 0 2 ，然后受离子或f 原子的轰击分解为挥 发性的s i f xc o z t 2 4 。z h a n gd a 等还对等离子体中c f 2 基团的吸附问题进行了研究 鲫。他们提出，空间碳氟基团将首先在基片或器壁表面形成碳氟聚合膜。在离子或f 原子的轰击作用下，c f 2 基团的的吸附与消耗达到动态平衡。在没有离子等轰击时， c f 2 基团损失的主要原因是其在器壁表面的吸附。 1 3 本文的研究内容 人们已对碳氟等离子体本身及其刻蚀进行了长期的理论、实验以及模拟研究。在 此基础上加深了对刻蚀机理的了解，发展了多种刻蚀设备和工艺。然而，由于等离子 体本身的不稳定性以及刻蚀反应中各种复杂的物理、化学等过程，直至目前人们仍未 能够完全理解碳氟等离子体的介质刻蚀机理。对此，还有待于人们的进一步探索。 本文中，我们使用了碳氟感应耦合等离子体对s i 0 2 进行了刻蚀实验。研究了刻 蚀速率随源气体流量比、射频源功率、自偏压等条件的变化。 对碳氟等离子体进行了诊断，利用诊断结果并结合文献报道对空间基团的行为和 刻蚀速率的变化给出解释。 对s i 0 2 介质光栅进行了刻蚀实验研究，结合等离子体诊断和扫描电镜图给出了 优化刻蚀工艺。 7 碳氟感应耦合等离子体及其s i 岛介质刻蚀研究 第二章实验 第二章实验 高密度等离子体( h d p ) 广泛应用于刻蚀领域。从目前情况来看，感应耦合等离 子体( i c p ) 相对螺旋波等离子体( h w p ) 以及电子回旋共振等离子体( e c r ) 等具 有更多的优势。如结构简单，造价较低，易于扩展大面积化等。 2 1i c p 的原理和特点瞄，2 刀 感应耦合等离子体的历史非常悠久。早在1 8 8 4 年，h i t t o r f 将线圈绕在一根真空圆 管上，当用莱顿瓶激励线圈时他观察到了放电现象。随后的几十年里，人们一直没有 确定这种放电究竟是电容耦合放电还是感应耦合放电。后来人们才认识到，在初始阶 段需要由容性放电实现点火，之后放电将很快发生转变，进入高密度的感应耦合放电 阶段，也就是常说的从e 模式到h 模式的转变。在h 模式下，天线中的交变电流会 产生交变磁场h ，而磁场又将感生出电场( 法拉第电磁感应定律) 。利用这个电场来 加速电子从而维持等离子体，这样生成的等离子体叫做感应耦合等离子体( i n d u c t i v e l y c o u p l e d p l a s m a ，i c p ) 。感应耦合等离子体的密度约10 1 1 至1 0 ”c 肼- 3 ，比电子回旋共振 ( e c r ) 或螺旋波等离子体( h w p ) 能够达到的l o l 3 硎。要低，但比典型的电容耦合 放电的密度高约十倍。在材料处理过程中，感应耦合等离子体有时也被称作t c p ( t r a n s f o r m e r - c o u p l e dp l a s m a ) 或r f i ( f f i n d u c t i v ep l a s m a ) 。 i f m 哑坤t i c f l u x d i e l e c c i c w m d m v r k 图2 1 ( a ) 感应耦合等离子体示意图( b ) i c p 变压器模型的等效电路 8 碳氟感应耦台等离子体及其s i 嘎介质刻蚀研究第二章实验 i c p 属于低气压、高密度等离子体。在它维持放电的过程中，等离子体中的电子 受到电场的作用而被加速。由楞次定律可知，等离子体内在抵消天线电流磁场的方向 上会形成涡电流，如图2 1 ( a ) 所示。所以人们常用变压器电路模型来模拟感应耦合等 离子体的等效电路，即把天线作为一个变压器的初级线圈，将等离子体看作次级线圈， 如图2 1 ( b ) 所示。高频电流l f 流过具有电感k 、电阻如的天线，通过互感m 耦合 到次级回路的等离子体。l g 为等离子体的几何结构电感，l p 为电子惯性电感；凡为 等离子体电阻。利用这个等效电路，等离子体吸收的功率p a b s 可以通过下式来计算： = 蒜易， ( 2 1 ) 这就是在等离子体电阻上产生的焦耳热。 一旦进入低气压状态，等离子体的电阻就会减小，趋肤深度也要下降。此时焦耳 加热效应无法使功率输入等离子体，按预测放电将无法继续进行。但实际上，即使在 1 p a 以下的低气压也可以维持等离子体的放电，所以可以判断在无碰撞时存在着其它 有效的加热机制，也就是作热运动的电子通过局部电场时引起的反常趋肤效应。这种 情况下，作热运动的的电子无论怎样进入趋肤深度为占的强感应电场，都会返回等离 子体中。当电子通过这个电场区的时间大致等于或略小于射频信号周期的时候，电子 的加速、减速是随机发生的，经统计平均后电子能够高效率的获得能量。这就是所谓 的反常趋肤效应。 从上面原理的描述，可以看到i c p 的设备比较简单，无需外加磁场即可进行放 电，也可以相对容易地获得大口径的等离子体。虽然电子回旋共振( e c r ) 等离子体 所能达到密度要高出i c p 约一个数量级，但它需要借助于磁场或电磁线圈产生磁场后 才能放电。设备复杂化的同时，也限制了大面积e c r 等离子体的产生。与电容耦合 放电相比，i c p 的密度又高出很多，且可相对独立地控制荷能粒子到达基片的能量， 有效避免高能粒子对基片轰击引起的损伤。总的来说，i c p 的优点可以概括如下： 1 结构相对简单，容易获得大面积均匀的等离子体，为刻蚀或薄膜沉积的均性 提供了必要的前提条件，这在现代的半导体工艺的发展过程中显得尤为重要。 2 等离子体密度高，可以产生大量的自由基、化学活性种、基团等，为基片的 9 碳氟感应耦合等离子体及其s i m 介质刻蚀研究第二章实验 刻蚀提供丰富的刻蚀前驱基团。 3 运行气压低，通常在几帕或更低的气压下就能产生。在低气压下，粒子、基 团较大的平均自由程对各向异性刻蚀非常有利。 4 可以相对独立的控制离子到达基片的能量，有利于减小对基片的损伤，也有 利于对基片的各向异性刻蚀，得到大深宽比的刻蚀槽形。 5 属于无极放电，减少了电极材料对等离子体的污染以及对被加工材料的污染。 6 仪器成本低，有利于进行科研方面设备的改造。 由于这些原因，i c p 得到了获得了广泛关注并得到迅猛的发展。 2 2 实验设备及实验过程 本论文的实验在一台i c p - - 9 8 a 型高密度感应耦合等离子体刻蚀机上进行，该装 置由中国科学院微电子中心制造，如图2 2 所示。 雠 矬 叵亟蚴 厂p 图2 2 等离子体刻蚀系统示意图 天线为2 5 匝平面螺绕型线圈，由铜管绕制而成，外径6 m m 真空腔体内径为 3 5 0 r a m ，高度为2 5 0 r a m 。1 3 5 6 m h z 的射频信号通过匹配网络输入至平面螺绕线圈， 产生交变磁通，随后又感应出交变电场。电子被这个电场加速并获得能量，与中性粒 子发生碰撞，产生并维持等离子体，在此过程中存在电离、分解、激发、离解等众多 反应。基片架与另一1 3 5 6 m h z 的射频电源相连，通过调节该射频电源可以近独立的 l o 碳氟感应耦合等离子体及其s m 介质刻蚀研究 第二章实验 控制到达基片表面的离子轰击能量。基片架还与冷却水管相连，在刻蚀过程中，可以 使基片架保持在室温，降低热效应对刻蚀带来的不利影响。 整个刻蚀系统拥有四路进气管道，源气体由质量流量计控制通入真空室，匀流环 的使用有助于获得均匀的等离子体。所用高纯a r 气纯度大于等于9 9 9 9 9 ，c 4 f 8 为 电子级。刻蚀实验中，保持a 什c 4 f 8 = 5 0 s c c m 。真空腔体由k y k yf d 6 0 0 型涡轮分 子泵和2 x z - 8 型旋片式机械泵联合抽气，系统本底真空优于6 x1 0 3 p a 。真空室侧壁 开有三个窗口，可分别用来连接朗缪尔探针、发射光谱仪和四极质谱仪等诊断工具。 在对s i 0 2 介质进行刻蚀时。使用薄铜片作为掩膜。使用前，首先需要使铜片平 整，以便刻蚀过程中铜掩膜能与待刻表面紧密接触而不致留有空隙。此后，还需要清 洁铜掩膜，以上这些步骤都是为了获得良好的刻蚀台阶。刻蚀过程中，被掩膜覆盖的 s i 0 2 将不参与刻蚀反应从而保留下来，而其余未被覆盖与等离子体接触的部分将被刻 蚀。因此在刻蚀反应结束后将获得一个台阶，其高度就是刻蚀深度。测量出台阶的高 度，它与刻蚀时间之比即为刻蚀速率。 使用e t 3 5 0 型台阶仪测量台阶的高度，其测量精度为l n m ，最大扫描长度3 0 m m 。 刻蚀过程中，使用了朗缪尔探针和发射光谱对等离子体进行了监测。通过源气体 流量比r 、射频源功率与自偏压等宏观参量的调节来获得较高的s i 0 2 刻蚀速率。之 后，对s i 0 2 介质光栅进行刻蚀。所用光刻胶为r z j - 3 0 6 型，光栅条纹密度4 5 0 线m m 。 最终刻蚀槽形的观察在扫描电镜上进行，因此需将刻蚀后样品的光刻胶去除。使用的 是半导体工业中的r c a 清洗方法，将样品放到溶液中，水浴加热至7 5 c 并超声清洗。 结束之后再用去离子水冲洗，最后用高压氮气吹干。由于刻蚀样品为非导体，在使用 扫描电镜观察之前还需先镀上一层金膜。 碳氟感应耦合等离子体及其s i 嘎介质刻蚀研究第三章等离子体的诊断及刻蚀的表征 第三章等离子体的诊断及刻蚀的表征 3 1 等离子体诊断工具 随着等离子体工艺应用的发展，为了分析研究加工工艺中等离子体的物理和化学 过程，必须对工艺设备的等离子体特性进行诊断。不同的加工目的，对等离子体特性 的要求，也不完全相同。在等离子体化学气相沉积淀积薄膜时，要求高浓度高活性的 自由基粒子。在等离子体反应刻蚀加工时，工艺要求高浓度高活性的反应离子。但不 论需要的是活性自由基粒子还是活性反应离子，都要求等离子体有足够高的电子和离 子密度，以及合适的电子温度。为了获得较大面积的均匀淀积薄膜，或者较大面积的 均匀刻蚀图形，都要求等离子体有足够好的空间均匀性。因此等离子体设备能否满足 加工要求，工艺参数能否满足加工需要，都有赖于对等离子体的诊断。 等离子体不同特性的诊断需要各种各样的诊断工具，主要有朗缪尔探针，质谱仪， 发射光谱仪，红外吸收光谱仪等。各种测量方法都各有优缺点，因此这些方法需要相 互配合使用。 3 1 1 探针的测量条件及原理1 2 7 - 2 9 1 利用朗缪尔探针( l a n g m u i rp r o b e ，也称静电探针) 测量等离子体参量的方法是 由l a n g m u i r 等人在1 9 2 4 年提出的。它是最早被用来测定等离子体特性的一种诊断工 具。静电探针理论是相当复杂的，不过在简单的条件下，可以对探针的伏安特性曲线 作出简明的解释，从而可以根据其伏安特性导出等离子体电子温度、密度和空间电位 等重要参数。虽然探针将不可避免地对其周围空间的等离子体产生扰动，但扰动范围 约在几个德拜长度左右，因此具有一定的空间分辨能力，通过探针的移动可以获得电 子密度等参量的空间分布。探针的结构也比较简单，通常是用一根圆柱形的金属裸丝 如钽丝、钨丝或铂丝等制成。因而，在低温等离子体研究中，甚至在高温等离子体的 低温、低密度区研究中，它都是一种十分有力的诊断手段。下面将对其使用条件、原 理等做简要介绍。 碳氟感应耦合等离子体及其s 垴介质刻蚀研究第三章等离子体的诊断及刻蚀的表征 使用条件： ( i ) 要求被测空间是电中性的等离子体空间，电子密度与正离子密度相等，且二 者的速度分布均服从麦克斯韦分布。它们的温度分别为t e ，t i ，且t e t i 。 ( j i ) 探针周围形成的鞘层厚度比探针的线度要小，这样可忽略边缘效应，近似认 为鞘层与探针收集电荷的面积是相等的。 ( 试) 电子和正离子的平均自由程比鞘层厚度大，这样可以忽略鞘层中粒子碰撞 引起的弹性散射、粒子激发和电离等过程。 ( i v ) 电子和离子打到探针表面后都被完全吸收，而不产生次级电子发射，也不 与探针材料发生化学反应。 ( v ) 被测空间不存在强磁场。带电粒子在磁场中将受洛仑兹力作用，在垂直磁场 方向做拉莫尔回旋运动，回旋半径和角频率分别为 ，：堕 脚c e b 国c2 一 m ( 3 1 ) ( 3 2 ) 其中k 表示带电粒子在垂直于磁场方向上的速度。因此，磁场的存在使带电粒 子的运动变成是各向异性的，在垂直于磁场的方向上由于粒子作拉莫尔回旋运动，其 平均自由程不可能大于拉莫尔回旋半径。但在弱磁场条件下，粒子回旋半径相对其平 均自由程仍较大，此时磁场对探针的特征曲线影响不大，故仍可进行测量。 需要指出的是，在实际的等离子体中上述条件很难被完全满足。如在低气压等离 子体中，电子的速度分布常偏离麦氏分布。此外，在射频设备中探针的特征曲线也往 往受到射频信号的干扰，使曲线的数据分析变得复杂。刻蚀过程中，常用的碳氟等离 子体将在探针表面沉积一层非导电的碳氟膜，对探针测量产生干扰。尽管如此，通过 各种技术手段来降低这些不利因素的干扰，朗缪尔探针在生产及研究领域中还是得到 了非常广泛的应用。 朗缪尔探针的结构很简单，往往就是一根细的金属丝，除了端点的工作部分外， 其它都复套着陶瓷、玻璃等绝缘物质，如图3 1 所示。 碳氟感应耦合等离子体及其s i 0 2 介质刻蚀研究第三章等离子体的诊断及刻蚀的表征 图3 1朗缪尔探针测量系统示意图 如前所述，等离子体中电子温度远大于重粒子的温度，也就是说电子的平均热运 动速度要远大于离子的速度。当一根孤立的探针与等离子体接触时，单位时间内到达 探针表面的的电子数将远远超过离子数。因此探针表面将逐渐积累起静的负电荷，从 而使探针电位相对于其周围的等离子体空间电位圪为负。这个负电位会排斥电子， 吸引正离子，使探针附近形成一个正的空间电荷层。最终，单位时间内通过这个空间 电荷层到达探针的正负电荷将相互平衡。此时，探针处于一稳定的负电位，称为悬浮 电位v ；这一空间正电荷层叫做离子鞘。在探针上施加一个偏压，使探针电位相对 于等离子体空间电位之差不等于悬浮电位，探针上就会有电流通过。 记探针相对于空间电位的电位差为，则探针的电位y 可表示为： v = + 圪 ( 3 3 ) 探针电流厶与v 的函数关系，称为探针的伏安特性。实验中通常采用快速扫描的方 法测量探针的伏安特性曲线，以便在等离子体参数发生显著变化之前完整地测量一条 ，一矿曲线。将数据输入至计算机，加以分析就可获得电子温度、等离子体密度、空 间等离子体电位等重要参量。 图3 2 是一个典型的单探针的伏安特性曲线。入射到探针的电流为电子电流、离 子电流两者之和，即 ，；t 一 ( 3 4 ) 1 4 碳氟感应耦合等离子体及其s i 傻介质刻蚀研究第三章等离子体的诊断及刻蚀的表征 s艄、i c b 驴屯 、 d l a h 嘶c u r e n ii b 3 o o 丘 2 q 月。鲥ni 、d 曲幺一3 - d 咖n i x c t ，e v i o l 3 ：p r o b e 8 a i u r 绷c1 ；蒯旧 8 d u r d 目 _ o 一 图3 2 典型的朗缪尔探针l - v 特征曲线 随着探针电压v 的增大，探针的伏安特性曲线可以分为三个区域：( 1 ) 离子饱和 区；( 2 ) 过渡区或称电子拒斥区：( 3 ) 电子饱和区 ( 1 ) 离子饱和区，相应的鞘层压降 吃= v 一巧“0 ( 3 5 ) 此时，电子被完全拒斥，探针电流由纯离子流组成，探针收集的离子流不可能超过等 离子体能够提供的最大离子流，所以把这个区域叫做饱和离子流区。 ( 2 ) 过渡区，即电子拒斥区。这个区的鞘层压降 吃= v 一圪0 0 6 ) 这意味着电子通过鞘层时受拒斥，由于电子速度按麦克斯韦分布，其中一部分动能较 大的电子可以克服拒斥场的作用到达探针。而离子通过鞘层加速，进入鞘层的离子可 以全部到达探针。 ( 3 ) 电子饱和区。这个区域的鞘层压降 = v e 0 ( 3 7 ) 电子通过鞘层加速，类似地电子流也不可能超过等离子体所能提供的最大电子 碳氟感应耦合等离子体及其s 妣介质刻蚀研究第三章等离子体的诊断及刻蚀的表征 流，所以称这个区域为电子饱和区。这时离子通过鞘层时受拒斥，一般将不能至4 达探 针表面。 3 1 2 探针数据的处理 电子温度、密度等参量的获得一般有两种方法，这两种方法主要利用的都是电子 拒斥区的特性曲线。第一种方法：由于电子电流厶随探针电压矿按指数律变化，所 以把实验测得的伏安特性曲线作半对数曲线，可发现m i e 随y 线性变化。该直线斜 率的倒数是k t j e ，也就是电子温度。求出电子温度瓦后，利用饱和电子流与电子温 度的关系就可以求得电子浓度。 第二种方法：首先，探针全电流对v 进行二次微分。电子能量几率分布函数彤矽 ( e e p f ) 与它成正比关系： 厂( e ) = 2 ( 2 肌) ( p 3 么) 一1d 2 c ，y 2 ( 3 8 ) 式中m 、e 、彳分别表示电子的质量、电荷和探针收集电子的面积。而 e = e ( v 一矿) ( 3 9 ) 二次微分值为零处所对应的电位就等于等离子体空间电位圪，从而电子密度、 电子温度可分别按下式计算： 疗= r e z f ( e ) d e ( 3 1 0 ) z = 细= 云邶，翘 本文中采用的是第二种方法。除上面提到的单探针法外，人们还发展了双探针、 三探针、发射探针等方法。 本实验中使用的探针由h i d e n 公司生产，针尖材料为钨丝，长度1 0 m m ，直径为 o 1 5 r a m 。扫描电压范围从5 0 v 至6 0 v 。每个数据测量点重复采集十次取平均。 1 6 碳氟感应耦合等离子体及其s i t h 介质刻蚀研究 第三章等离子体的诊断及刻蚀的表征 3 1 3 发射光谱i 1 l 光学探测方法被广泛应用于等离子体的诊断。其中主要包括：激光诱导荧光光谱 法( l m ) ，红外吸收光谱法，发射光谱法等。尤其是发射光谱( o e s ) 技术，由于其 设备简单，灵敏度高，对等离子体不产生扰动等众多优点而得到非常广泛的应用。等 离子体中，光的发射可起因于电子的碰撞激发或电子的碰撞分解 4 + e 寸a + e ( 3 1 2 ) ab+e呻a+b+e(313) 或离子碰撞过程+ p ( + m ) 专a ( + m )( 3 1 4 ) 这些过程产生的激发态彳。随后以发射光子的形式进行退激 彳+ 寸a ”+ h v ( 3 1 5 ) 上述公式中，符号表示粒子处于激发态，4 “是基态或能级比爿低的激发态。 通常，等离子体中最强的发射谱线来源于第一激发态阢到基态的跃迁。由 于每个粒子( 原子、分子、基团等) 均具有精确的能级，因此每条发射谱线都具有特 定的频率i 1 。和波长砧 吒。= 生h 墨 ( 3 1 6 ) 厶；l ( 3 1 7 ) 5 e - g 0 p 式中h 为普朗克常数。 通过分析光谱中的特征谱线可以判断某些粒子是否存