（微电子学与固体电子学专业论文）高密度等离子体刻蚀轮廓的数值研究.pdf

摘要 摘要 低气压、高密度等离子体刻蚀的模拟对于高密度等离子体刻蚀的工艺研究具 有重要意义。本论文深入研究了低气压、高密度等离子体的工作机理及其刻蚀工 艺的原理，合理的舍取了影响等离子体特性和刻蚀特性的参数，提出了一个二维 低气压、高密度等离子体刻蚀轮廓的理论模型，并利用“线”算法进行了数值模 拟。分析了不同的中性流与离子流通量之比f 。o no 和不同的鞘层电压与离子温度 之比e v s k t 。对刻蚀轮廓的影响。模型中引入了掩膜对入射粒子流的遮蔽效应和中 性粒子在不同刻蚀表面的粘附系数，使得模拟的结果的准确性大大提高。论文最 终给出了耍获得低气压、高密度等离子体的各向异性刻蚀的e v s k t 。和r 。o ，r o 的取 值范围。 关键词：高密度专粤子体刻譬箩廓孳尹数值+ 秽 o 7 一 a b s t r a c t m o d e l i n gl o w p r e s s u r e ，h i g h d e n s i t yp l a s m ae t c h i n g i s h i g h l ys i g n i f i c a n t f o r h i 曲一d e n s i t yp l a s m ae t c h i n gp r o c e s s i n gr e s e a r c h t h i st h e s i s h a sd e e p l ys t u d i e dt h e m e c h a n i s mo fl o w p r e s s u r e ，h i g h d e n s i t yp l a s m aa n di t se t c h i n gp r o c e s s e s ，m a d ea r e a s o n a b l ea d o p t i o no rr e j e c t i o no f p a r a m e t e r st h a tc a r la f f e c tp l a s m a c h a r a c t e r i s t i c sa n d e t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dp r e s e n t e d at w o - d i m e n s i o n a lt h e o r ym o d e lo fl o w p r e s s u r e ， h i g h d e n s i t yp l a s m ae t c h i n g t h em o d e l h a sb e e nn u m e r i c a ls i m u l a t e db yu s i n g s t r i n g a l g o r i t h m i n f l u e n c eo f d i f f e r e n tn e u t r a l t o i o nf l u xr a t i o sr n d f i oa n dd i f f e r e n tr a t i o so f s h e a t hv o l t a g et oi o nt e m p e r a t u r ee v s k t if o re t c hp r o f i l e sh a sb e e na n a l y z e d i nt h e t w o d i m e n s i o n a lm o d e l ，t h ei n c i d e n tp a r t i c l ef l u xs h a d o w i n ge f f e c t so f t h em a s ke d g e a n dt h es t i c k i n gc o e f f i c i e n to f t h en e u t r a lf l u xa td i f f e r e n te t c h i n g s u r f a c ea r ei n t r o d u c e d ， w h i c hi m p r o v e sa c c u r a c yo ft h es i m u l a t i n gr e s u l t s ，a tl a s t ，t h ev a l u er a n g eo f e v s k t i a 1 1 dr n o ，r iof o rl o w - p r e s s u r e ，h i g h d e n s i t yp l a s m aa n i s o t r o p ye t c h i n g h a sb e e no b t a i n e d k e y w o r d ：h i g h d e n s i t yp l a s m a e t c hp r o f i l e sm o d e l n u m e r i c a ls i m u l a t i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包括为获得西安电子科技大学和其他教 育机构的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名 盔量里f 1 期：兰! 里生塑! 旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学的有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密后遵 守此规定) 本人签名：生重垩日期：兰竺! 盘! 基! 旦： 导师签名：为撂垄 日期：丛生f ：f ：金 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的意义 集成电路的出现使人f 1 的生活产生了巨大的变化，可以说它已经达到了无所 不在的地步。除了计算机领域外，集成电路还广泛地应用在通讯、消费电子工业、 自动控制、多媒体及国防等领域。如音响、无线电话、手机、p d a 、信息家电、 多媒体芯片及雷达等。掘世界半导体贸易统计组织的统计和预测，2 0 0 0 年集成电 路的产值可能达到1 8 9 7 亿美元。 半导体技术是现代电子技术及信息技术的关键，并已经成为衡量一个国家综 合实力的重要标志。自从1 9 6 0 年第一块集成电路问世以来，在半导体衬底上生产 的器件密度越来越高。目前集成电路技术已发展到超大规模集成电路( v l s i ) 的 技术水平，正在向甚超大规模集成电路( u l s i ) 的技术水平发展。标志半导体技 术发展的重要指标加工线宽已达到了深亚微米量级。随着加工线宽的不断缩 小，器件的集成度迅速上升。以半导体产业中最具有代表性的硅d r a m 存储器为 例，1 9 8 6 年日本首先研制成功的4 md r a m ，集成度为8 1 0 6 个元器件，单元面 积1 0 b t m 2 ，而1 9 9 7 年n e c 研制成功的4 gd r a m 集成度为8 8 1 0 9 个元器件，单 元面积0 2 3 t m 2 。根据“摩尔定律”，m o s 存储器的集成度每1 8 个月增加一倍。 表1 1 列出了从1 9 9 5 年到2 0 0 7 年d r a m 的发展情况和展望1 2 ”。 表1 1j j 于d r a m 生产的硅圆晶片尺寸的变化 年代 1 9 9 51 9 9 82 0 0 l2 0 0 42 0 0 7 特征尺寸( u m ) 0 3 50 2 5o 1 8o 1 3o 1 0 d r a m 容量芯片 6 4 m2 5 0 m1 g4 g1 6 g 微处理器尺寸( t o m b 2 5 03 0 03 6 04 3 05 2 0 d r a m 尺寸( 1 n l t l 2 ) 1 9 02 8 04 2 06 4 09 6 0 高速缓冲器( 4 2 c m 2 ) 2 m6 m2 0 m5 0 m1 0 0 m 最大晶片尺寸( i t l r r t ) 2 0 02 0 03 0 03 0 04 0 0 由于芯片集成度的迅速提高和图形线宽的减小，对集成电路的微细加工技术 相应提出了更高要求。仍以d r a m 为例，2 r m a 加工线宽的2 5 6 k d r a m 掩模层数 为1 0 层，加工工序为2 0 0 次；而0 3 5 9 m 加工线宽的6 4 md r a m 掩模层数为3 0 层，加工工序为1 0 0 0 次，掩模层数和工序次数分别增加到2 5 6 kd r a m 的3 倍和 5 倍【“。随着加工工艺的日益复杂，微细：j n - v 技术越来越成为半导体工艺的技术“瓶 兰高密度等离子体刻蚀轮廓的数值研究 颈”。有关专家断言，微细加工技术的发展将决定半导体技术的发展。微细加工技 术是发展v l s i 及u l s i 的关键技术，主要包括微细图形形成、离子注入、浅结掺 杂、超薄膜形成等具体技术。其中微细图形形成则是微细加工技术中最为复杂的 尖端技术，包括曝光和刻蚀两部分，刻蚀在微细加工中具有极其重要的作用。 众所周知，提高芯片的集成度可以有两个途径：一是增大硅圆晶片的尺寸， 一是减小特征尺寸。减小特征尺寸还可以提高电路的速度和封装密度，并可减小 功耗。由表1 1 可知，目前在产业界，硅圆晶片的尺寸正从8 英寸向1 2 英寸过渡， 集成电路的特征尺寸也正从0 2 5 i - t m 向0 1 8 “m 过渡。0 1 8 1 t m 正在成为集成电路生 产的主流技术。在深亚微米、亚0 1 微米刻蚀工艺中，如何做到既可以获得高的图 形转移保真度，又能以高选择比、低损伤和较快的刻蚀速率进行刻蚀，已经成为 当前v l s i 工艺研究关键课题之一。 在v l s i u l s i 技术的研究中，如何把芯片的加工精度提高到深亚微米及亚0 1 微米量级是问题的核心。传统的射频等离子体加工由于其离子密度太低、工作气 压高，以及等离子体鞘层电压过高，使离子流失去各向异性及能量失控，从而无 法进行深亚微米刻蚀。而以e c r 等为代表的低气压、高密度等离子体在常温下就 可以达到很高的电离度( 1 0 1 01 0 坨c m 。) ，而工作气压却很低( 1 0 - 21 0 4 t o r r ) 。同时 e c r 等离子体还具有离子能量低的优点，这可以大大降低样品表面的损伤。利用 低气压、高密度等离子体可以刻蚀出侧壁陡直、高纵横比、低损耗的微细图形。 因此研究用于深亚微米刻蚀及亚0 1 微米刻蚀的低气压、高密度等离子体具有深远 的意义。 1 2 国内外发展动态 研究高密度等离子体刻蚀工艺通常有两种方法：实验研究和理论模拟研究。 1 实验研究p “驯 为了满足工业与生产发展所提出的越来越高的要求，同时也为了使高密度等 离子体反应器更能适应等离子体刻蚀工艺的不断发展，人们非常有必要分析研究 等离子体工艺过程中发生的物理和化学过程以及等离子体参数及其空间变化对反 应器参数的依赖关系，为此实验工作者付出了艰辛的努力，实验诊断测量方面取 得了长足的进步。在微波模式、介质窗口、腔体直径、微波功率、气体种类、工 作压强、线圈电流对等离子体参数( 如等离子体密度、空间位势、电子温度) 及 工艺特性( 刻蚀速率、均匀性、各向异性、选择性) 的影响等方面取得了重要的 结果。但是，实验研究也面临很大的困难，一是研究周期长，特别是涉及系统结 构改变时，研究往往需要几周以上的时间：二是影响因素多，对某一具体过程研 第一章绪论 究无法避免其它因素的作用；三是无法进行细节研究；四是成本较高。这在一定 程度上制约了高密度等离子体工艺的研究和应用。 2 理论模拟研究 1 9 - 3 7 随着计算机的计算速度、内存和硬盘容量的飞跃发展，数值计算和模拟研究 显得愈来愈重要，现已发展成为等离子体反应器设计及控制的强有力工具，而且 人们也越来越意识到它对工程模型的潜在优势。然而，与大宗大卷的实验测量诊 断的文献报道相比，理论解析与数值模拟的研究可谓风毛麟角。究其原因，主要 是高密度等离子体刻蚀工艺是一个非常复杂的体系，受很多因素的制约，建立起 统一而有效的物理模型来进行数值模拟有许多实际困难：( 1 ) 对于很多实际的应 用，人们喜欢采用混合气体，对于有些气体，其各种粒子相互作用的碰撞截面、 化学动力学参数及其产物都不甚清楚；( 2 ) 在足够低的压强下，平均自由程是腔 体几何尺寸的量级，中性输运过程是非常复杂的，至今为止还不甚了解：而离子 分子化学对于离子成分是至关重要的，也会影响等离子体中的腔体种类成分。遗 憾的是，对于许多感兴趣的应用领域，即使是那些较为重要的化学反应也知之甚 少；( 3 ) 即使没有等离子体的高能辐射，衬底表面的表面化学过程也是极其复杂 的，而离子、质子及衬底表面的高能中性气体轰击进一步增加了表面化学的复杂 性。 然而，难不代表不能。只要合理舍弃，建立在物理模型之上的数值模拟工作 还是有所作为的。另一方面，当今的等离子体刻蚀工艺的发展是基于直觉判断、 统计优化、经验摸索相结合的，许多诊断结果非常需要建立物理模型来分析、解 释，并且预言和刻画一些新的特征来进一步指导实验。 在国外，m u t u m i 等人利用数值方法研究了低气压、高密度等离子体刻蚀中刻 蚀的各向异性【2 ”。w e n j i n gc h e n 等人研究了鞘层中离子碰撞对槽刻蚀轮廓的影响， 通过与无离子碰撞时的槽刻蚀轮廓相比较，得出随着工作气压的增长，碰撞也不 断增长，同时刻蚀轮廓变得越来越圆，而不再是原来的方形【28 ，3 7 1 。b a r b a r a 等人研 究了考虑到溅射作用时等离子体刻蚀轮廓形状的修正【3 。”】。 在国内，对等离子体源的建模及模拟取得了一定的成果，其中对于鞘层内离 子的行为和碰撞研究的较多【3 ”。不过与利用实验手段的工艺研究相比还是很少的。 对于等离子体刻蚀等具体工艺的模拟的研究却还刚刚开始，目前这方面的报道还 很少。 1 3 本论文的主要工作 本论文研究了低气压、高密度等离子体源的工作机理，分析了等离子体刻蚀 高密度等离子体刻蚀轮廓的数值研究 工艺的原理，建立了受中性流与离子流通量之比( r 。0 r i o ) 以及鞘层电压与离子温 度之比( e v s k t i ) 等因素影响的高密度等离子体的刻蚀轮廓模型，并利用数值方 法对其进行模拟研究。在刻蚀工艺进程及影响工艺因素对刻蚀速度和刻蚀轮廓等 方面取得了系统的结果。 第二章对等离子体刻蚀的原理进行了系统的分析。根据超大规模集成电路制 造技术对图形转移工艺的要求，分析了等离子体刻蚀的基本方法、原理和应用。 第三章分析了目前被广泛研究和使用的高密度等离子体源的产生原理及其刻 蚀反应装置，如感应耦合等离子体反应装置( i n d u c t i v e l yc o u p l e d p l a s m a r e a c t o r ) 、螺旋波等离子体反应装置( h e l i c o np l a s m ar e a c t o r ) 、电子回旋共振等离 子体反应装置( e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c ep l a s m ar e a c t o r ) 。 第四章分析了当前较为流行的几种高密度等离子体刻蚀轮廓的数值模拟方 法，建立高密度等离子体刻蚀轮廓的模型，给出模型中采用的刻蚀速率函数、离 子和中性粒子流函数。并导出本论文的高密度等离子体刻蚀的数值求解方法。 第五章首先给出数值求解的流程图，再给出在不同输入条件下刻蚀轮廓模型 的模拟结果，针对模拟结果给出相应的分析。最终得出了一系列对工艺研究有重 要指导意义的分析结果。 第六章总结了本论文所做的工作，并给出本论文的结论。由于对刻蚀的模拟 是一个大的系统工程。要形成一套完整而有效的刻蚀模型，需要在许多方面进行 大量的摸索。因此在论文的最后对今后工作给出展望。 第二章等离子体刻蚀 第二章等离子体刻蚀 刻蚀是光刻和内连线工艺中重要的环节。刻蚀是把进行光刻前所沉积的薄膜 ( 厚度约在数千到数百之间) 中没有被光刻胶覆盖及保护的部分，以化学反应或 是物理作用的方式加以去除，已完成转移掩膜图形到薄膜上面的目的。 2 1 超大规模集成电路对图形转移的要求 1 图形转移的保真度要高 经刻蚀转移的图形，通常呈现为三种情况，如图2 1 所示。 - - * 1 曲卜- 4d l i i 卜- 卜- d 】l l 一 圈阳罱 jd f 卜】， l d f1 广- = 苷百节：_ 可 间隔 ( a ) 间隔 ( b ) 线条 ( c ) 图21 刻蚀转移图形的三种常见情况 一掩膜 一被刻蚀材 一衬底材料 设纵向刻蚀速率为v v ，侧向刻蚀速率为v l ；若v l = o ，这表示刻蚀仅在沿深度方 向进行，即不同方向的刻蚀特性明显不同，称为各向异性刻蚀，如图2 1 ( a ) 。图 2 1 ( b ) 、( c ) n 表示刻蚀的线条和间隔，不仅在纵向而且在侧向也进行刻蚀。一般情 况下v v v l ，我们用a 表示不同程度的各向异性，则有 爿：旦：幽( 2 1 ) ”2 由式( 2 - 1 ) 可知，ld f d 。i = 0 则a = 0 ，表示图形转移中失真畸变最少，及各向 异性刻蚀，如图2 1 ( a ) 所示；若ld f d 。i = 2 h 则a = 1 ，表示图形失真严重，即 各向同性刻蚀，如图2 1 ( b ) 、( c ) 所示。 2 选择比 在实际的器件工艺过程中，光刻胶和衬底也会被刻蚀，这是加工过程中不希 望出现的。通常的做法是改变工艺条件，使刻蚀进行中光刻胶和衬底的刻蚀速率 尽量低。器件结构中常含有多层不同材料形成的薄膜需要刻蚀，为严格控制每一 层刻蚀图形的转移精度和避免对某层材料的刻蚀影响其它各层，需控制不同材料 的刻蚀速率。因此选择比被定义为两种不同材料刻蚀速率比。显然选择比越大越 高密度等离子体刻蚀轮廓的数值研究 有利于各向异性刻蚀。 3 均匀性 硅圆晶片上生长的薄膜厚度的不均匀和各个部位刻蚀速率的不均匀会导致刻 蚀图形转移的不均匀性。 设被刻蚀薄膜的平均厚度为h ，薄膜厚度的变化因子为0 - 8 - o 。则刻蚀最大时间t m 和最短时间t 。为 t m = 黼 = 黼 z ， 2 赢豸m2 萧青 旺_ 2 显然，t m 与t 。之差越小越好，这样会减少可能造成的薄膜部位的过刻蚀。 2 2 等离子体刻蚀原理 早期的刻蚀方法是湿化学刻蚀方法。硅圆晶片被浸入腐蚀液中一段时间，通 过化学反应腐蚀掉没有被光刻胶覆盖的部分，最后清洗和甩干。一个理想的刻蚀 应该是各相异性的，刻蚀的侧壁是垂直的，如图2 1 ( a ) 所示。而湿法刻蚀通常是各 相同性的，如图2 1 ( b ) 所示。如果我们通过一个l k t m 的开孔刻蚀1 p m 厚的薄膜， 则由于钻蚀的作用，刻蚀轮廓的顶端会变成3 p m 。因为用于v l s i 制造的许多薄膜 是o 5 1 厚的，所以用湿法刻蚀转移特征尺寸在1 - 2 p , m 范围内的图形几乎是不可能 的。湿法刻蚀通常被用于特征尺寸在3 p m 以上的情况下。小于3 p r o 就要使用等离 子体刻蚀。 所谓等离子体刻蚀是指在等离子体存在的条件下，通过平面曝光、溅射化学 反应、辅助能量离子( 或电子) 与模式转换等方式，精确可控地除去衬底表面上 定厚度的薄膜物质而留下不受影响的沟槽边壁物质的一种加工过程。等离子体 刻蚀属于干法刻蚀。刻蚀主要在以下四方面： ( 1 ) 半导体材料本身刻蚀( 如刻蚀硅等) ； ( 2 ) 半导体氧化物等刻蚀( 如s i 0 2 ) ； ( 3 ) 光刻胶刻蚀； ( 4 ) 金属刻蚀。 下面我们将分析下刻蚀过程中等离子体的作用和刻蚀的物理机制。等离子 体是含有足量的带电粒子以致其动力学行为受电磁力支配的任何一种物质状态。 而用于刻蚀的等离子体一般为气态，其带电粒子数密度约为1 0 l 1 0 1 2 个c m 3 。负 粒子主要是电子，由于它的质量小，速度快，故能量转移小。电子温度t 。一般为 几个电子伏特，处于高温( 几万k ) ，远远大于离子温度和中性粒子温度。高温态 第二章等离子体刻蚀 的电子与室温态中性气体反应生成活化自由基，再与衬底上的材料结合生成易挥 发的气体产物，同时刻蚀了基片。在刻蚀过程中，等离子体的主要作用是： ( 1 ) 产生原子种类，如c l 和f ，它们是通过气体c f 4 和c c l 4 的辉光放电产生 活化自由基。c l 和f 都是有效的刻蚀剂。例如 4 f + s 卜s i f 4 ( 气) ，4 f + s i 0 2 一s i f 4 ( 气体) + 0 2 ( 气) ( 2 3 ) ( 2 ) 发生有效刻蚀，例如在氩等离子体中放入氯原子，由于等离子体与氯的 协同作用，使得对硅的刻蚀率既远大于单独的气体，又远大于单独的等离子体， 这是因为在等离子体条件下，使得氯与硅的化学反应不仅可以发生，而且可以快 速进行。 ( 3 ) 产生各向异性刻蚀，且按直线进行。 等离子体刻蚀的最主要的优点是各向异性刻蚀。不过，因为等离子体刻蚀的 各向异性主要是利用粒子轰击的物理现象来进行的，这种粒子轰击现象，不但可 以在被刻蚀薄膜上进行，也可以在光刻胶上发生。也就是说，粒子将同时对晶片 上的光刻胶及裸露出的薄膜进行刻蚀的，所以其选择性就比以化学反应的方式执 行刻蚀的湿法还来的差。换句话说，使用等离子体进行薄膜刻蚀时，虽然可以获 得相当准确的图形转移，但是必须牺牲部分刻蚀的选择性。除了各向异性与选择 性之外，衡量等离子体刻蚀好坏的主要依据还有刻蚀速率及均匀性等。等离子体 刻蚀的刻蚀速率越高，表示产量越大：刻蚀的均匀性越高，则代表晶片质量的控 制越完善，晶片的合格率也就越高。 等离子体刻蚀有四种基本方法： ( 1 ) 溅射法 溅射是由于能量离子的撞击而引起表面物质的原子急速蒸发和向外喷射的纯 物理过程。这种方法选择性差，易引起器件损伤。 ( 2 ) 化学法 在化学方法刻蚀中，等离子体使中性原子基活化，从而产生了刻蚀剂。例如 氩等离子体使氯分子c 1 2 分解成氯原子，活化的c l 与表面的硅( s i ) 结合生成易 挥发的s i c l 4 ，从而使s i 被c l 刻蚀。不过化学法刻蚀是各向同性的。 ( 3 ) 能量离子增强法 能量离子增强刻蚀方法是将一定能量的离子通量垂直轰击被刻蚀的物质表 面，器件边壁上离子通量甚小。能量离子的作用一方面使得化学反应容易发生， 另一方面使得这种反应具有方向性( 各向异性) 。例如一个非点接触的单晶硅表面 在室温下不被氯原子刻蚀，然而，当表面同时暴露于一种能量离子通量和氯原子 中时，则可以迅速发生反应，刻蚀率显著增加，从而增强了刻蚀。又因为离子通 量主要轰击电场垂直的表面，故与离子运动方向垂直的表面被刻蚀，而与离子运 动方向平行的侧壁却免遭腐蚀。为了更好的理解能量粒子增强刻蚀，我们举一个 兰 妾童堕竺塑王堡型塑丝堕竺垫篁婴塞 利用c 1 2 刻蚀s i 的例子。其主要的反应步骤如下所示： ( a ) 带电粒子的形成( 形成等离子体) 叶馁一 器砌 ( b ) 刻蚀剂的形成 p + c 1 2 2 c l + p ( c )刻蚀剂吸附在硅圆晶片表面上 lc l c l 呻州一”a 2 ( d ) 被吸附的刻蚀剂与硅原子反应 s i n c l 兰屿s i c l ，侗志) ( e ) 刻蚀产物解吸附作用 s i c l 。( 嘟态) js i c l ，( 气惑) ( 4 ) 能量离子防护法 能量离子防护刻蚀法是将一种防腐蚀剂镀于衬底表面形成一种防护膜，它与 活化中性粒子刻蚀剂不起作用，但适合的离子通量可以破坏这种防护膜。由于这 膜表面与离子通量成直角，所以化学反应在竖直方向上发生，而边壁上的防腐剂 保护衬底免遭腐蚀，因而刻蚀是各向异性的。 一种称为“反应离子刻蚀法( r i e ) ”的干刻蚀技术同时具备高选择性和各向 异性刻蚀的优点，并已成为现代刻蚀工艺的主流。r i e 是一种介于溅射刻蚀与等离 子体刻蚀之间的干法刻蚀技术，它是利用高频电场下气体辉光放电产生的离子轰 击的物理效应和活性粒子的化学效应相结合来实现加工目的的一种技术。一般来 说，它具有较高的刻蚀速率，良好的方向性的选择性，能刻蚀精细结构的图形。 在进行反应离子刻蚀时，需注入适当的刻蚀气体，与基底材料化合生成挥发性和 准挥发性的化合物。一般地说，对i i i i v 族化合物半导体材料和a 1 等l i i 族元素 材料，反应气体多以c 1 2 为主，对s i 及其化合物，反应气体以氟化物为主。在刻 蚀过程中发生的化学反应，可分为离子诱发和离子增强两种，其机理正如字面所 理解的，一般地说，离子增强反应，掩膜将受到一个由自发反应速率所确定的钻 蚀，而离子诱发的则没有。如果在刻蚀气体中引入一些能提供交合的粒子添加剂 混合试剂的作用，则既能与刻蚀剂粒子在材料表面上结合产生挥发性产物，也能 作为形成钝化膜的预制体。实验表明，当用c 1 2 等离子体刻蚀硅时，会发生钻蚀， 但加入c 2 f 6 时，钻蚀程度会减少，当c 2 f 6 达到一定浓度时，侧面刻蚀实际上不存 第二章等离子体刻蚀 在。又如当s f 6 刻蚀s i 时，加入适量的氧气，会产生垂直侧壁形状，而没有侧面 刻蚀。以现在商业化的r i e 为例，刻蚀后的薄膜轮廓都可以达到8 0 。以上，甚至有 些材质的r i e 可以得到接近9 0 。的最佳结果。选择性依不同的材质，约在2 ：1 到 4 0 ：l 之间( 指r i e 对被刻蚀薄膜及其它材质的刻蚀率比值) 。 在集成电路的制造过程中需要刻蚀各种各样的材料。被刻蚀的材料通常有四 类：硅( s i ) 、电介质( s i 0 2 ，s i n ，) 、金属( a i ，w ，m o ) 和光刻胶。其相应的 等离子体刻蚀剂如表21 所示。常用含氟气体有c f 4 ，s f 4 ，s f 6 。常用含氯气体有b c l 3 ， c c l 2 ，c 1 2 ，s i c l 2 。 表2 1 常用材料的等离子体刻蚀剂 材料常用刻蚀气体主要活性物 s i 含氟或含氯气体f ，c i ，c 1 2 多晶硅含氟或含氯气体 f ，c l ，c 1 2 s i 0 2c f 4 ，c h f 3 ，c 2 f 6 ，c 3 f 6c f 。 g a a s含氯气体 c l ，c 1 2 s i 3 n 4含氟气体f c f 。 a l 含氯气体c l ，c 1 2 t i 含氟或含氯气体 f ，c i ，c 1 2 聚合物 0 2o 在使用氯刻蚀时，等离子体首先将c 1 2 分离成原子c l ，它与硅产生如下反应： s i + 2 c 卜+ s i c l 2 ，s i c l 2 + 2 c l 呻s i c l 4 ( 气) 这里s i c l 4 气体可以被抽掉，而s i c l 2 聚合成 s i c l z 。如果需要增加s i c l 2 的量，则 可以通过添加剂氢原子而达到： s i c l 4 + 2 h - , s i c l 2 + 2 h c i 硅的氧化物也可以被f 和c l 刻蚀。例如用f 刻蚀，我们可使用c f 4 等离子体产生 如下反应： c f 4 ，2 f + c f 2 ，s i 0 2 + 4 f s i f 4 ( 气) + 0 2 ( 气) ， s i 0 2 + 2 c f 2 一s i f 4 + 2 c o ( 气) 同时，通过s i + 4 f s i f 4 ( 气) ，硅可以更快地被刻蚀。光刻胶通常是一种有机聚合 物( 例如聚甲基丙烯酸甲脂p m m a ) ，它可以被f 和o 刻蚀，刻蚀后产物为c 0 2 气体和水蒸气或c f 4 气体。金属铝( a i ) 、钼( m o ) 、钨( w ) 、钽( t a ) 等可用 c c i 。，c f 4 ，s f 6 气体放电刻蚀。例如a l 被c c l 4 和0 2 刻蚀的反应如下： 4 a 1 + 3 0 2 2 a 1 2 0 3f ，c c l 4 + e c c l 3 + c l + 2 e a 1 2 0 3 + 2 c 1 3 + 2 a 1 c 1 3f + c o + c 0 2f ，a l + 3 c l a 1 c 1 3 f 有各式各样的等离子体刻蚀反应装置被用于商业生产和研究开发。通常使用 的反应装置类型有圆柱形反应装置、平行扳反应装置、感应耦合等离子体反应装 兰一一 壹童堕箜塞量竺型堡丝查塑垫堡竺塞 置( i c p ) 、电子回旋共振等离子体反应装置( e c r ) 以及螺旋波等离子体反应装 置( h c p ) 。本文在第三章会对i c p 反应装置、e c r 反应装置和h c p 反应装置进 行分析。 2 3 等离子体刻蚀的应用 在集成电路制造过程中，各种各样的图形被直接刻蚀到晶片表面。槽是被填 充了某种电介质的垂直开孔，它被用于隔离器件或者形成槽栅电容。过孔是被填 充了导电材料的垂直开孔，它被用于把一个器件的不同层上的电路与另一个器件 以及衬底互联。 1 槽刻蚀 不断增长的器件密度要求提高晶片表面面积的利用率，要求使用占用面积更 小的器件隔离技术。槽刻蚀方法可以用于制造槽栅电容和器件隔离槽。槽栅电容 是一个槽状电容，这个槽是垂直于晶片表面刻蚀而成，如图2 2 所示。槽栅电容被 用于在存储器件中存储电荷。在槽中先生长一层薄薄的氧化层，然后沉积多晶硅。 硅和多晶硅形成电容的两个电极，电介质是它们中间的二氧化硅层。这样形成的 垂直电容所需的面积比用传统工艺要小得多。 图2 2 槽栅电容示意图 槽刻蚀的另一个应用是用于器件隔离。槽隔离( t r e n c hi s o l a t i o n ) 最早由j a b o n d e v 和h b p o g g e 提出，1 9 8 2 年成功地应用于i k be c l r a m ，是8 0 年代发展 起来的新代介质隔离技术。它具有隔离区所占面积小、收集极- ；h i 底结电容小、 抗辐射等优点，在超高速集成电路、无锁定c m o s 电路及高密度d r a m 中有着重 要应用。在c m o s 双井工艺中，槽隔离是横向分割n 沟道晶体管的p 井和p 沟道 晶体管的n 井的常用工艺，如图2 _ 3 ，它也被用于b i c m o s 工艺中双极晶体管和 m o s 晶体管的隔离。在隔离应用中，槽中通常沉积的是二氧化硅。当槽被用于 第二章等离子体刻蚀 m o s 电路中，其制造工艺与槽栅电容相同，如图2 4 所示。 图2 3c m o s 中的槽隔离 图2 4m o s 中的槽隔离 槽刻蚀是一种复杂的等离子体刻蚀工艺。刻蚀工艺产生深的、高纵横比的槽。 刻蚀深度达到1 0 “m 以上，纵横比在1 0 ：l 以上。一个典型的槽的尺寸为宽 o 3 5 1 o a m 、高2 - 5 1 t m 。槽刻蚀要求侧壁近乎垂直、稍微向里倾斜，并且没有下切 以及光滑而圆形的槽底部，如图2 5 所示。尽管斜壁对消除槽淀积工艺中槽内空洞 一s i 3 n 4 s i 0 2 图25 深槽示意图 高密度等离子体刻蚀轮廓的数值研究 的形成很有利，但是近乎垂直的侧壁是最小化器件面积之需要。平滑而圆形的槽 底部使电极工艺中硅晶格的热应力影响减到最小，同时也使薄膜的机械应力效应 减到最小。过量的应力会最终导致氧化层的损伤。 刻蚀硅深槽一般选用各向异性好的反应离子刻蚀( r i e ) 技术。大量实验表明， 作为反应离子刻蚀的反应气体是影响硅槽质量的关键因素之一。常用于刻蚀的反 应气体有氟基气体( c f 4 0 2 、s f 6 a r ) 和氯基气体( c 1 2 a r 、s i c l 4 a r ) 。其中c f 4 0 2 气体由于刻蚀速率受限，硅槽底部平整度差及刻蚀均匀性差，目前在高性能器件 的制作中已不采用。s f 6 a r 气体能取得较好的刻蚀效果，但不足之处是对s i 0 2 的 选择比不够高。在宽度小、深度大的硅槽刻蚀中，需要较厚的掩膜，这样入射离 子会在厚掩膜的侧壁散射，造成横向腐蚀，导致各向异性严重下降。另外，残留 物中的硫也对器件不利。氯基气体比氟基气体具有明显的优点，但由于氯基活性 太强，易使侧壁及底部形成钻蚀现象。随着硅深槽隔离技术的发展，近年来有不 少关于含溴气体刻蚀硅深槽的报道。b r 2 腐蚀性强，刻蚀过程不易控制，用它作为 反应气体不能满足刻蚀硅深槽的要求，c f 3 b r 性能稳定，刻蚀过程易于控制，是一 种较理想的含原子溴的反应气体，但它对s i s i 0 2 的刻蚀选择比还不够高，而且会 破坏大气中的臭氧层。h b r 腐蚀性小，室温时蒸汽压高，大约是b r 2 的1 0 0 倍，对 s i s i 0 2 的刻蚀选择比可高达4 0 0 ，且具有很好的各向异性刻蚀特性，是一种很理想 的刻蚀硅深槽的含原子溴反应气体。选用h b r h e 作为刻蚀气体，并选择一定的刻 蚀工艺条件，有望刻出亚微米的硅深槽。 2 过孔刻蚀 当集成电路的集成度增加，使得晶片的表面无法提供足够的面积来制作所需 的内连线时，为了配合m o s 晶体管缩小后所增加的内连线需求，两层以上的金属 层设计，便逐渐地成为许多集成电路所必须采用的方式。特别是一些功能较复杂 的产品，如微处理器。甚至需要四层或五层的金属层，才得以完成微处理器内各 个元件自j 的连接。 为了不让第一层金属线与第二层直接接触而发生短路( 单有插塞的地方除 外) ，金属层之间必须以绝缘体加以隔离。这层用来隔离金属层的介电材质称为“金 属间介电层”。图2 6 示意了一个有两层金属层的典型v l s i 内连线系统的连通部 分。锥形过孔已经被用于l p m 以上的工艺中，用以提高金属台阶的覆盖率。亚微 米工艺要求近乎垂直的过孔。近乎垂直的过孔轮廓控制可以通过形成近乎垂直的 抗蚀剂轮廓并使用反应离子刻蚀工艺来获得。过孔的轮廓决定了过孔沉积工艺的 质量和完整性。 第二章等离子体刻蚀 图2 6 两层金属层的内连 2 4 小结 第二金属层 介电层 第一金属层 过孔 随着器件尺寸的减小，各种膜的厚度变薄和圆晶片尺寸的增加，刻蚀选择性 及在圆晶片内的刻蚀均匀性对于v l s i u l s i 制造越来越重要。但是，常规的干法 刻蚀工艺已经不能满足v l s i j u l s i 对干净、垂直的刻蚀侧壁的要求；而且在刻蚀 的均匀性、等离子体引起的损伤等方面也不能满足v l s i l s i 制造的要求。因此 研究高密度等离子体源及其刻蚀装置成为v l s f u l s i 的必需。具有低电位差的高 密度等离子体源可以把由离子轰击所产生的损伤减到最小，把高密度等离子体源 产生区域全部或部分与工艺区域分开是解决问题一个有效方法。目前被人们广泛 研究的感应耦合等离子体源( i c p ) 、螺旋波等离子体源( h c p ) 和电子回旋共振 等离子体源( e c r ) 正是在此基础上发展起来的，下一章将对之详细讨论。 1 4 高密度等离子体刻蚀轮廓的数值研究 第三章高密度等离子体的产生原理和装置 等离子体是由电子、正负离子和未电离的中性气体分子组成的混合体，其中 总的正负电荷量相等，净电荷为零，对外显中性。传统的产生等离子体的方法是 利用直流辉光放电或者是高频辉光放电，但这两种方法产生的等离子体工作气压 高，等离子体密度低，并且鞘层电压过高，不能适应v l s i u l s i 中刻蚀工艺的需 求。利用感应耦合等离子体( i c p ) 、螺旋波等离子体( h c p ) 、电子回旋共振( e c r ) 等技术可以在较低的工作气压( 1 0 1 0 。4 t o n ) 下得到很高的等离子体密度 ( 1 0 一1 0 “c m 。) 。下面将分别讨论这三种高密度等离子体的产生原理以及在刻蚀 装置上的应用。 3 1i c p 的产生原理和i c p 刻蚀装置 通过在非谐振感应线圈上施加耦合射频电磁场可以产生i c p 反应装置中的等 离子体。一般所加的耦合射频电磁场的频率为1 3 5 6 m h z 。这种用于刻蚀的i c p 设 备的腔体通常般为圆柱形。按射频天线形状可把已经开发的i c p 分类为圆筒型 螺旋天线i c p 、平面型螺旋线圈i c p ( 它们的特点是线圈均设置在等离子体真空室 外面) 以及插入式线圈i c p ( 其特点是天线线圈叉入等离子体内部) 。除此之外还 有一种是在圆筒形螺旋线圈外侧放置一接地的圆筒形导体构成共振器的螺旋共振 器i c p ( 基本上与圆筒型螺旋天线i c p 同类型) 。平面型线圈是l a m 公司发明的 ( l a m 公司于1 9 8 9 年已申请专利) ，这种平面线圈对于均匀性非常有利，只是耦 合技术难度较大。a m 公司的柱面螺旋形线圈具有耦合技术难度较低的特点。图 3 1 显示了两种线圈的示意图。 群斟 帝 + 专 + ( a ) ( b ) 图3 la m 柱面型线圈( a ) 和l a m 平面型线圈( b ) 示意图 线圈通常是由射频电源驱动。当线圈附近的气体被感应射频电场电离，等离 子体就形成了。电场的能量通过碰撞散射转移到等离子体中的电子上。在低气压 第三掌 高密度等离子体的产生原理和装置 一1 5 ( l o m t o r r ) 下，这种能量的转移通过无碰撞的热过程也可以实现，在这种情况 下，等离子体中的电子被振荡感应电场加速并加热。能量在等离子体表面附近的 薄层内被转移。与用e c r 产生高密度等离子体的装置比较，i c p 装置的环径比， 即等离子体直径d 与长度l 之比( d l ) 更大且装置更小型。i c p 的典型放电条件 是：频率o o 2 n = 1 - - 2 0 m h z ，功率p ，1 = 0 1 5 k w ，压力p = 0 4 - - 4 0 p a ，稳态磁场b o = 0 t 。 已获得的i c p 等离子体参数为：电子密度n 。= 1 0 “一1 0 1 2 c m 一，电子温度t 。= 3 - - 1 0 e v ( 约3 1 0 万多度) ，离子电流密度j i 一1 0 m a c m 一，离子能量，= 2 0 - - 4 0 e v ，等离子 体势约为2 0 e v ，工作气体压力为2 - 5 0 m t o r r e 9 1 。 一般来说，反应离子刻蚀的刻蚀率与进入基体的离子通量有强烈的依赖关系。 因此，在利用密度分布变化很剧烈的1 c p 进行刻蚀时，基体位置处于等离子体下 游区的何处十分重要。反应性气体放电时，若电子密度高，气体分解就加快，等 离子体内的游离基成分也随之变化。以c f 。气体放电为例，将低压力( 1 3 p a ) 、高 功率( 1 k w ) i c p 内测得的游离基密度与传统高压力( 1 3 p a ) 、低功率( 5 0 w ) c c p ( 电容耦合型等离子体) 内测得的游离基密度进行比较后发现：低密度c c p 中以 c f 3 + 较多，而高密度i c p 中以c f + 为主要离子种。通过逸出离子质量分析法在c c p 中测得的中性游离基c f 。( x = l - - 3 ) 的密度很高；而在i c p 中，f 原子占压倒多数。 总之，等离子体密度增高使得游离基成分发生变化，其结果将改变刻蚀性能。 由于i c p 可以满足低气压、高密度、大口径的条件，因而是很有竞争力的小 型等离子体源。它已广泛应用于各种刻蚀处理，而且正在开拓新的应用领域，如 用作大型液晶显示器的生产工艺。i c p 作为高密度等离子体，可望实现实用水平的 高速干刻蚀。例如，用c h 4 和h 2 作原料( 总压强1 6 p a ) 的i c p 对i t o 膜刻蚀时， 对三种i t o 膜( h ，m ，l ) 均获得了1 0 0 n m m i n 以上的高速刻蚀，同时对氧化膜 ( s i 0 2 ) 及氮化膜( s i 3 n 4 ) 的选择比也十分高。 i c p 用作s i 及s i 化合物的u l s i 制作技术，具有下述优点： ( 1 ) 高密度、高刻蚀速率； ( 2 ) 大口径化比较容易，因而可满足未来大型晶片的要求； ( 3 ) 压力低，可进行超微细、高环径比刻蚀； ( 4 ) 可用低等离子体电位独立调整r f 偏压，因此刻蚀损伤低。 w o o d w o r t he ta 1 在1 9 9 6 年采用的平面型线圈的i c p 反应装置模型【l ，示意图 如图3 2 所示。这是一个被改造了的g e c 公司的标准的等离子体反应装置，可以 用它来产生感应耦合等离子体。最初的g e c 反应装置采用的是平行板加电容耦合 结构的射频等离子体反应装置。改造后的感应耦合g e c 反应装置使用以下结构代 替标准的平行板结构：在上电极板上安装了五匝平面型线圈，感应电磁场通过石 英窗口把能量耦合到等离子体上，下电极板接地。气体从g e c 反应装置的侧面进 气口被引入反应腔，并从反应装置底部的通风口和侧面门阀抽出。引入的气体是 高密度等离子体刻蚀轮廓的数值研究 氩气或氯气。在下电极板的中间，安放了台光谱分析仪，用以测量反应腔中参 与刻蚀的粒子和刻蚀所生成的粒子。整个装置都处在真空系统中。 射频电源导线 图3 2w o o d w o r t h 采用的i c p 反应装置示意图 抽气 装置 k e n i c h i 和t a m o t s u 等( 1 9 9 9 年) 在用直接模拟蒙特卡洛方法( d s m c ) 研究 1 c p 中的粒子流和刻蚀速率时，所用的i c p 模型是柱面型线圈 3 ”，其示意图如图 3 f 3 所示。 进气c 1 2 出气口出气口 图3 3k e n i c h i 和t a m o t s u 等采用的i c p 反应装置示意图 图中小的圆柱体被称之为“顶环”腔( t o ph a t ) ，大的圆柱体被称之为扩散腔。 第三章高密度等离子体的产生原理和装置旦 反应装置是轴对称的。s i 衬底的直径为3 0 0 m m ，工作气体c 1 2 从顶环腔的顶部进 气管流入，在电子的作用下，气体被电离，形成等离