（等离子体物理专业论文）双频容性耦合等离子体物理特性的混合模拟.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 双频容性耦合等离子体( d u a l f r e q u e n c yc a p a c i t i v c l yc o u p l e dp l a s m ad f c c p ) 源是半 导体工业中重要的刻蚀设备，由于其可以产生大面积均匀的等离子体，通过调节高、低 频源的放电参数可以有效地控制等离子体密度与离子能量、角度分布，并且结构简单成 本较低，符合工业生产上的要求，双频c c p 源被广泛应用在新一代的半导体刻蚀机的 生产上。双频c c p 源中的各物理参量( 如：密度、电势、电场、离子能量与角度分布 等) 以及其中的物理过程对等离子体刻蚀工艺有着直接的影响，有必要对其进行深入细 致的研究。而传统的理论模型分别存在着计算精度不高，计算效率较低等缺陷，无法实 现对双频c c p 中的物理过程进行快速准确的求解。为此，本文采用流体力学蒙特卡洛 混合模型对双频c c p 中的物理过程进行全面的研究。该模型在整个放电区采用流体方 法进行快速求解，在鞘层区采用蒙特卡洛方法得出入射到极板上各种粒子的能量与角度 分布，既提高了计算速度又保证了计算的精度。 在第二章中首先采用一维的流体力学模型对刻蚀工艺中所关心的等离子体密度分 布，鞘层区的鞘层电位降进行了研究。发现等离子体密度主要受高频电源的控制，提高 高频电源的频率、电压幅值与增加放电气压均能有效的提高等离子体密度。低频电源对 等离子体密度的影响很小，只有当低频频率较高，高、低频电源产生相互耦合时，提高 低频频率可以增加等离子密度。在鞘层区由于电子与离子密度出现差异，使得该处的电 场明显增强，电子受到鞘层电场的作用获得很高的能量，使得电子温度在鞘层区有所升 高。 在第三章中采用一维的混合模型对双频c c p 的放电进行了模拟，对入射到极板 上的离子和高能中性粒子的能量与角度分布进行了研究。双频c c p 的离子能量分布呈 现出多峰结构，随着放电气压的减小，轰击到基片上的离子能量显著增加。两个射频电 源的参数也对离子能量分布有着显著的影响。在一定的电压幅值下，减小低频源的频率， 可以使更多的离子有效的被低频电源加速，使得轰击到基板上的离子能量显著增大。通 过增大施加在低频源上的电压幅值可以使得离子在穿越鞘层的过程中获得更多的能量， 轰击到极板上的离子能量显著增加。随着高频源频率的增加，离子的碰撞效应减小。离 子角度分布在小角度区域存在明显的峰值，多数离子以小于3 。的角度垂直入射到极板 上，增加低频电压与高频频率均能使更多的离子以小角度入射。高能中性粒子与缸原 子间的碰撞效应占主导地位，入射到极板上的高能中性粒子能量小于离子能量，且入射 角度远大于离子入射角度。最后，我们对混合模型得出的离子能量分布进行了实验验证， 双频容性耦合等离子体物理特性的混合模拟 发现能量分布中的能峰位置、宽度以及能量平均值与实验测量的结果基本符合，随着放 电参数的改变，理论计算与实验测量结果的变化趋势也基本相同。 在第四章中对实际刻蚀工艺上应用的c f 4 反应性气体进行了一维的流体力学一蒙特 卡洛混合模拟。结果表明：在其放电产物中，f 占较大的比重，其密度远大于电子密度， 只比c f 3 + 的密度稍小。由于受到鞘层电场的约束作用，负离子主要分布在等离子体区内， 在鞘层附近负离子密度迅速下降，电子密度在鞘层边缘处接近正离子密度，由双极扩散 形成鞘层电场。c f 4 放电中正离子低能峰所对应的能量更高，并且在低气压下，低能区 ( 0 - 1 0 0 e v ) 的离子分布几乎为零。对于不同种类的离子，其能量分布曲线也各不相同， 质量较低的离子由于穿越鞘层时间较短，容易受到瞬时的高频电场影响，使得其能量分 布在双峰的基础上出现多个次级小峰，而质量较大的离子受高频电场调制不明显，没有 次级峰的存在。模拟结果同时显示了离子能量分布也会受到化学活性的影响，活性较高 的c f 3 + 离子，最容易与其他活性粒子发生化学反应生成其他种类的离子并造成能量损 失，因此入射到极板上c f 3 + 的能量相对较低；r 由于发生化学反应的几率相对较小，不 容易与其他种类粒子发生化学反应损失能量，因而保持了较高的能量。 在第五章应用二维混合模型对c f 4 放电进行了模拟，主要考察了等离子体放电在径 向和轴向的二维特性以及装置的几何尺寸对等离子体参量的影响。结果表明，等离子体 鞘层区在极板与侧壁处的特性并不相同，在侧壁处由于受射频源影响较小，鞘层主要由 双极扩散机制形成，鞘层较薄，径向电场的强度较小。在上下两个极板附近，受到射频 电场的影响，鞘层区的厚度明显增加，轴向电场的强度要远大于侧壁处的径向电场。离 子能量分布在整个电极区域内基本保持不变，只是在电极的边界处受到不同方向电场盼 影响而稍有不同；离子通量在电极区域内呈均匀分布，在电极边缘与侧壁的区间内，由 于电场强度减小离子通量迅速衰减。离子角度分布随径向的变化更为明显，在电极的中 心区域，入射离子角度分布并没有明显的变化，但是在电极的边缘处，由于受到较强径 向电场的影响离子的入射角度明显增大，绝大部分离子以更大的角度入射到电极上。 关键词：双频容性耦合等离子体；电负性气体；混合模拟方法；离子能量分布 大连理工大学博士学位论文 t h eh y b r i ds i m u l a t i o no fad u a l f r e q u e n c yc a p a c i t i v e l yc o u p l e dp l a s m a a b s t r a c t d u a l - f r e q u e n c yc a p a c i t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ( d f - c c p ) i so n e o ft h ec r u c i a lc o m p o n e n t s f o re t c h i n gi nm i c r o e l e c t r o n i cm a n u f a c t u r i n g ，a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h en e x tg e n e r a t i o n e t c h i n ga p p l i c a t i o n sd u et oi t ss i m p l es t r u c t u r ea n da b i l i t yt oc o n t r o lt h ep l a s m ad e n s i t y ，t h e i o ne n e r g yd i s t r i b u t i o n s ( i e d s ) ，a n dt h ei o na n g l ed i s t r i b u t i o n s ( i a d s ) s e p a r a t e l y b e c a u s et h e e t c h i n gp r o c e s si sd e t e r m i n e dd i r e c t l yb yt h ep h y s i c a lp r o c e s sa n dt h ep l a s m ap a r a m e t e r ss u c h a sp l a s m ad e n s i t y ，e l e c t r i cf i e l d ，p o t e n t i a l ，i e d s ，a n dl a d s ，i ti si m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h e p h e n o m e n ai nad u a lf r e q u e n c yc c p h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a lt h e o r ym o d e l sh a v et h e i ro w n s h o r t c o m i n g si na c c u r a c ya n di ne f f i c i e n c yr e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e ，w eu s eah y b r i dm o d e l b a s e do naf l u i dm o d e lu s e di nt h ee n t i r er e g i o nf o rt h ef a s tc a l c u l a t i o na n dam o n t e c a r l o m o d e li nt h es h e a t hf o rt h es i m u l a t i o no ft h ei e d sa n dl 也st oa c h i e v eaa c c u r a t ea n d e f f i c i e n ts i m u l a t i o no ft h ed f - c c pd i s c h a r g e i nc h a p t e r2 ，t h ep l a s m ap a r a m e t e r s ，c o n c e r n e di ne t c h i n gp r o c e s s ，s u c ha sp l a s m a d e n s i t y , s h e a t hp o t e n t i a l ，a n de l e c t r i cf i e l dh a v eb e e ns t u d i e db a s e do naf l u i dm o d e l i tf i n d s t h a t ，t h ep l a s m ad e n s i t yi sm a i n l yc o n t r o l l e db yt h eh i 曲- f r e q u e n c y ( h f ) s o u r c ea n dc a nb e i n c r e a s e de f f e c t i v e l yb yi n c r e a s i n ge i t h e rt h ef r e q u e n c yo nt h eh fs o u r c eo rt h ep r e s s u r e t h e l o w - f r e q u e n c y ( s o u r c eh a sl i t t l ea f f e c to ni t ，h o w e v e r ，w h e nt h el o wf r e q u e n c yi sg e t t i n g h i g h e ra n dt h et w os o u r c e sb e g i nt oc o u p l ew i t he a c ho t h e r ，t h el fs o u r c es t a r t st oa f f e c tt h e p l a s m ad e n s i t y n ee l e c t r o na n di o nd e n s i t i e sr e m a i nt h es a m ev a l u ea tt h eb u l kr e g i o na n d b e g i nt os e p a r a t ei nt h es h e a t hr e g i o n ，w h i c hl e a d st oa ni n c r e a s eo ft h ee l e c t r i cf i e l da tt h e s h e a t hr e g i o n 耽ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ea l s oi n c r e a s e si nt h es h e a t hd u et ot h ea c c e l e r a t i o nt o t h ee l e c t r o nb yt h es t r o n ge l e c t r i cf i e l di nt h i sr e g i o n i nc h a p t e r3 ，ao n e - d i m e n s i o n a lh y b r i dm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h e c h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g ya n da n g u l a rd i s t r i b u t i o n so ft h ei o n sa n df a s tn e u t r a l si m p i n g i n go n t h er f - b i a s e de l e c t r o d ei nad u a lf r e q u e n c yc a p a c i t i v e l yc o u p l e da rd i s c h a r g e i ts h o w st h a t ， t h ei e d sa p p e a rt oh a v em u l t i p l ep e a k si nt h ed u a lf r e q u e n c yc a p a c i t i v e l yc o u p l e dr f d i s c h a r g er a t h e rt h a nb i m o d a ls h a p ei nac o n v e n t i o n a ls i n g l ef r e q u e n c yr fd i s c h a r g e w i t ht h e d e c r e a s eo ft h ep r e s s u r e t h em a x i m u me n e r g yo fi e d sa n dt h ep e a k so f1 a d si n h e r e t h e p a r a m e t e r so ft h et w os o u r c e sh a v eas i g n i f i c a n te f f e c to nt h es t r u c t u r e s o fi e d s b y d e c r e a s i n gt h ef r e q u e n c yo ft h el fs o u r c e ，m o r ei o n sc a nb ea c c e l e r a t e db yt h el ff i e l d e f f e c t i v e l yw h i c hi n c r e a s e st h em a x i m u me n e r g yi nt h ei e d s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h el f v o l t a g e ，t h ei o n sg a i nm o r ee n e r g yf r o mt h es h e a t hr e g i o n ，t h e r e f o r e ，t h e ys t r i k et h ep r o c e s s i i i 双频容性耦合等离子体物理特性的混合模拟 s u r f a c ew i t ham u c hh i g h e re n e r g y t h ei h d sh a v eas i g n i f i c a n tp e a ka tt h es m a l la n g l e r e g l o n ，a n dm o s ti o n ss t r i k et h ep r o c e s ss u r f a c ew i t ht h ea n g l el e s st h a n3d e g r e e s m o r ei o n s s t r i k et h ee l e c t r o d ew i t has m a l la n g l eb yi n c r e a s i n ge i t h e rt h ev o l t a g eo fl fs o u r c 宅o rt h e f r e q u e n c yo fi - i fs o u r c e t h ee n e r g ya n da n g u l a rd i s t r i b u t i o n so ft h ef a s tn e u t r a l sa r e c o r r e l a t i v ew i t ht h a to ft h ei o n s c o m p a r e dw i t ht h ei o n s ，t h ef a s tn e u t r a l sh a v eam u c hl o w e r e n e r g ya n dt h es c a a e r i n ge f f e c tb e c o m e sm o r ep r o m i n e n t i nt h ee n dw ep r o v i d eag r o u po f e x p e r i m e n tr e s u l t sf o rc o m p a r i s o n t h ep o s i t i o na n dt h ew i d t ho ft h ee n e r g yp e a k s ，a n dt h e a v e r a g ee n e r g ya r ei na g r e e m e n ti ng e n e r a l ，a n db yc h a n g i n gt h ed i s c h a r g ep a r a m e t e r s ，t h e e v o l u t i o no ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l ti sa l m o s tt h es a m e i nc h a p t e r4 ，ao n e - d i m e n s i o nh y b r i dm o d e lh a sb e e nu s e dt os t u d yt h ec f 4 d i s c h a r g e ， w h i c hi sf r e q u e n t l yu s e di nt h ee t c h i n gp r o c e s s i ts h o w st h a t ，t h ec f 4d i s c h a r g eh a sal a r g e p r o p o r t i o no fn e g a t i v ei o n s ，a n dt h ed e n s i t yo ff i sm u c hl a r g e rt h a nt h ed e n s i t yo fe l e c t r o n b e c a u s et h en e g a t i v ei o n sa r ec o n s t r a i n e di nt h ep l a s m ar e g i o nb yt h es 仃o n ge l e c t r i cf i e l di n t h es h e a t h ，t h e i rd e n s i t i e sd e c r e a s ea p p a r e n t l yn e a rt h es h e a t hr e g i o n ，w h e r et h ed e n s i t yo f p o s i t i v ei o n sa n de l e c t r o n sg e tc l o s e r 皿em i n i m u me n e r g yi nt h ei e d so ft h ep o s i t i v ei o n s c o r r e s p o n dt oah i g h e re n e r g yr e g i o n ，a n di nt h ec o n d i t i o no fl o wp r e s s u r e ，t h ev a l u e so fi e d s a r en e a rz e r oi nt h el o we n e r g yr e g i o n ( t y p i c a l l yo - i o o e v ) t h es h a p e so fi e d sc h a n g ea m o n g t h es p e c i e so fp o s i t i v ei o n s t h ei o n sw i t has m a l lm a s st r a v e r s et h es h e a t hi nas h o r tp e d o d ， w h i c ha l l o w st h e s ei o n ss e n s et h ei n f l u e n c eo ft h ei - i fs o u r c e ，t h e r e f o r e ，t h e d sr e m a i n s o m es m a l lp e a k si nt h ec h a r a c t e r i s t i cb i m o d a ld i s t r i b u t i o n f o rt h em u c hm a s s i v ei o n s ，t h e t r a n s i tt i m ei sm u c hl o n g e r , r e s u l t i n gt h e s ei o n ss e n s eam o r ea v e r a g es h e a t hp o t e n t i a l ， t h e r e f o r e ，t h ei n f l u e n c eo ft h eh fs o u r c eb e c o m e sl e s sp r o m i n e n to nt h e s ei o n s ，a n dt h es m a l l p e a k si nt h ei e d sd i s a p p e a rw h i l et h em a s so fi o n si n c r e a s e s b e c a u s ea ni o na f t e rac h e m i c a l r e a c t i o nm a yc o u s u m et h et o t a le n e r g yo rc o n v e r tt oo t h e rs p e c i e s ，t h ei o n sw i t hh i g h e r c h e m i c a la c t i v i t yw h i c hh a sa h i g h e rp r o b a b i l i t yo fr e a c t i n gw i t ho t h e rp a r t i c l e sh a v eal o w e r e n e r g yi nt h ei e d s i nc h a p t e r5 ，at w o d i m e n s i o n a lh y b r i dm o d e li su s e dt os t u d yt h e2 dc h a r a c t e r so ft h e p l a s m ap a r a m e t e ri na x i a la n dr e d i a ld i r e c t i o na n dt h ei n f l u e n c eo ft h eg e o m e t r ys t r u c t u r e i t f i n d st h a t ，t h es h e a t hs t r u c t u r ea n dt h ee l e c t r i cf i e l dn e a rt h es i d ew a l la r ed i f f e r e n tw i t ht h a t n e a rt h ee l e c t r o d e ，d u et ot h ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r o d e ，t h ee l e c t r i cf i e l di nt h ea x i a ld i r e c t i o n i sm u c hs t r o n g e rt h a nr a d i a le l e c t r i cf i e l d ，a n dt h es h e a t hi nt h et o pa n dt h eb o t t o mr e g l o na r e m u c ht h i c k e rt h a ni nt h es i d ew a l lo ft h er e a c t i n gc h a m b e r t h ei e d sa n dt h ei o nf l u xi n c i d e n t o nt h ee l e c t r o d eh a v el i t t l ec h a n g eo v e rt h ee l e c t r o d er e g i o n ，h o w e v e r , t h ee l e c t r i cf i e l d d e c r e a s e sf r o mt h ee d g eo fe l e c t r o d et os i d ew a l l ，w h i c hl e a d sad e c r e a s ei nt h ei o nf l u xi nt h i s r e g i o n i a d sa r ea l m o s t 也es a m ea tt h ec e n t e ro ft h ee l e c t r o d e ，h o w e v e r ，i n 也ee d g co ft h e i v 二一一一 奎垄堡三奎堂堡圭堂垡i 堕 e l e c t r o d e ，t h er a d i a le l e c t r i cf i e l di n c r e a s e sw h i c hl e a d sm o r ei o n ss t r i k et h ee l e c t r o d ew i t ha m u c h l a r g e ra n g l e k e yw o r d s ：d u a l - f r e q u e n c yc a p a c i t i v e l yc o u p l e d p l a s m a ：e i e c t r o n e g a t i v eg a s ： h y b r i dm o d e l ：i o ne n e r g yd i s t r i b u t i o n v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：圣璋 e l 期：型塑：笪：! 兰 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：圣2 主 导师签名：至益：釜 趔堡年月上日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 等离子体微细加工 低温等离子体物理与技术经历了一个由上世纪6 0 年代初的空间等离子体研究向上 世纪8 0 年代和9 0 年代以材料为导向研究领域的大转变，高速发展的微电子科学、环境 科学、能源与材料科学等，为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。等离子体 放电可以产生具有化学活性的物质，这使得等离子体加工技术可以被用来制造特种优良 性能的新材料、研制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，对世 界主要的制造工业来说，等离子体技术起着极为重要的作用【。例如：低温等离子体技 术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子 体冶金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域有着广泛的用途。现在，低温等离 子体物理与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及 传统工业的改造有着巨大的影响。 在众多的等离子体技术当中，低温等离子体微细加工手段已经是一项影响全球经济 发展的关键技术，因为它是微电子、光电子、微机械、微光学等制备技术的基础。特别 是在超大规模集成电路制造工艺中，有近三分之一的工序是借助于等离子体加工完成 的，如等离子体薄膜沉积、等离子体刻蚀及等离子体去胶等，其中等离子体刻蚀成为最 为关键的工艺流程之一f 2 捌，是实现超大规模集成电路生产中的微细图形高保真地从光 刻模板转移到硅片上不可替代的工艺。目前在一些发达国家的实验室里，利用等离子体 刻蚀，可以在硅片上刻蚀出0 0 6 微米的线宽，这相当于在头发丝上刻蚀出几百个凹槽， 并开始考虑挑战纳米芯片的加工技术。 在芯片上进行刻蚀典型工艺步骤如图1 1 所示【1 1 。首先将薄膜沉积在基片上，然后 在上面均匀的覆盖一层由碳氢化学物构成的光敏物质即光刻胶，在光刻胶上方盖上具有 一定图形规则的金属模板，由紫外线照射后使得未被掩膜覆盖的光刻胶曝光，然后通过 冲洗显影将曝光后的光刻胶冲洗掉，未曝光的部分在基片表面形成具有所需形状的光刻 胶掩膜；通过刻蚀将掩膜的图形转移到薄膜上，被光刻胶掩膜覆盖的薄膜受到了保护而 未被刻蚀，刻蚀结束后将剩下的光刻胶掩膜清除就可以得到工业上需要的结构与形状。 双频容性耦合等离子体物理特性的混合模拟 ( a ) 沉积薄膜 挂鞋 ( e ，等离子体刻蚀 ( c 学过篝貘曝誊捌饿囊鬟 ( 1 ) 清除光刻胶 l 毒卫熊 图1 1 集成电路工艺中的等离子体刻蚀步骤。 f i g 1 1e t c h i n gp r o c e s si ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r e 刻蚀中所采用的化学活性等离子体通常是由氯气或碳氟等气体放电产生的，它不仅 含有电子和离子，还含有大量的活性自由基( 如a ，a ：，f ，c f 等) 存在。这些活性基 团到达到裸露的硅晶片时，与硅原子相互结合而形成挥发性的氯化硅或氟化硅分子，如 果将基片上覆盖有掩膜的薄膜直接放置到有刻蚀作用的气体当中，会得到各向同性亥i j 蚀 效果，即出现掩膜底部的横向刻蚀，这种各向同性刻蚀在集成度较小的条件下是可以接 受的。随着半导体工业的不断发展，在当今的深亚微米、纳米时代，工艺中已经不允许 出现这种横向刻蚀。因此若要不断地缩小器件尺寸和提高芯片集成度，就必须采用各向 异性的刻蚀工艺。为了实现各向异性刻蚀，需要用高能离子轰击晶片表面，这些高能离 子直接轰击到沟槽的底部，而对侧壁的影响很小，于此同时这些高能离子可以使得键能 较高的化学键断裂，加速刻蚀反应的进程，产生所谓的离子增强刻蚀。为了控制轰击到 晶片上离子的能量分布和角度分布，还通常将晶片放置在一个施加射频或脉冲偏压的电 极上面，在晶片的上方将形成一个非电中性的区域，即等离子体鞘层。在这个区域里存 一2 一 大连理工大学博士学位论文 在着很强的由等离子体指向极板的电场，称为鞘层电场【吼1 7 】。利用这一电场，将鞘层中 的离子加速到了很高的能量，再利用这个高能离子束( 流) 轰击到裸露的晶片表面上， 并与表面层的原子进行碰撞，使其溅射出来，从而实现对晶片的各向异性刻蚀。 等离子体刻蚀工艺的核心问题是在提高刻蚀速率的同时，又如何能保证刻蚀过程具 有较高的均匀性、较高的各向异性以及较低的辐照损伤【l 剐。这不仅仅是一个单纯的技术 性问题，更重要地是要对刻蚀过程中涉及到的一些复杂物理问题进行深层次地研究。这 些物理问题包括：低气压放电条件下大面积高密度均匀等离子体的产生机理与方法、外 界放电参数( 如电源功率、频率、放电气压以及放电模式等) 对等离子体参数的调控行 为、射频偏压鞘层的物理特性、带电粒子( 尤其是离子) 与晶片表面的相互作用机理、 刻蚀剖面的演化规律等。由于微电子器件尺寸的不断缩小，对等离子体加工也提出了更 高的要求。未来新一代集成电路的生产将要求刻蚀在各向异性、选择性和均匀性方面有 显著的改进同时，改善平坦化和沉积时的保形性，用新的材料以满足器件性能和可靠性 要求，降低加工的损伤和污染等，为了迎接这些挑战，需要不断更新工艺和反应器的结 构类型。因此人们对低气压、高密度的等离子体源有着相当大的兴趣。 1 2 几种常见的等离子体源 等离子体刻蚀作为半导体制造的一个重要工序，尤其在超大规模集成电路的制造过 程中起着举足轻重的作用。高密度的等离子体源是等离子体微细加工的基础，对工艺的 质量起着至关重要的作用。因此，等离子体源一直是等离子体研究的重点。随着工业水 平的不断提高，在等离子体辅助加工过程中，对等离子体源的要求也在不断的提高，特 别是随着微电子工业的不断发展，需要高密度的集成电路。这种技术要求在较低的温度 下对大面积基片进行均匀加工，所以对高密度等离子体提出了强烈的要求。 最初被半导体工业采用的等离子体源是容性耦合等离子体源( c a p a c i t i v e l yc o u p l e d p l a s m a s ) ，也就是我们常说的c c p 1 9 - 2 1 】。典型的c c p 装置由一个真空室和加在真空室 一端的电极组成，如图1 2 所示。通过在电极上施加交流射频偏压，在电极附近的鞘层 区域就产生了一个交变准静电场，通过这个电场对等离子体加热，可以获得高密度，均 匀的等离子体。在真空室的另一端加一负偏压引出离子，就可以实现对基片的刻蚀。利 用c c p 源对芯片进行刻蚀，如果刻蚀的线宽在微米量级附近，可以得到各向异性很好 的离子。这一特性使得c c p 成为代替湿法刻蚀的首选，半导体工业也由此得以加速发 展。但由于单频c c p 由单一电极驱动，无法实现密度与能量的分离控制；并且传统的 c c p 源工作气压通常在l o o m t o r r 左右，这样在鞘层区域，多数离子会频繁的与中性粒 双频容性耦合等离子体物理特性的混合模拟 子发生碰撞，从而使得离子的速度方向发生改变，这样轰击到基片表面的离子不是严格 的与表面垂直，当刻蚀的线宽小于0 2 5 微米时，离子的这种碰撞就会对刻蚀的品质产生 影响。随着芯片的集成度越来越高，对线宽尺度的要求也越来越小。现代半导体工业希 望在很小的尺寸上获得更高的集成度，就要求线宽在0 1 微米以下，因此现代半导体工 艺需要新型的等离子体源，来代替传统的c c p 源。 射频源 i i 图1 2 容性耦合等离子体示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fc c pr e a c t o r 上世纪7 0 年代末到8 0 年代初，日本等国开发出微波电子回旋共振( e l e c t r o n c y c l o t r o nr e s o n a n c e ) 等离子体，简称e c r l m - 2 6 1 。在e c r 源中，采用微波辐射来加热 在外磁场中回旋运动的电子，该静态外磁场一般由电磁线圈或永磁场提供。当电子回旋 频率( i ) 。等于输入微波信号的固有频率，即( ) = 。时，就会发生回旋共振，电子将被 微波电场持续加速，获得很高的能量，然后通过碰撞电离气体分子产生等离子体。e c r 装置的结构是多种多样的：有单线圈或多线圈的e c r 系统：有基片与e c r 区的距离可 调的e c r 装置；还有其磁场是由永磁体提供的e c r 系统。其中永磁e c r 系统特别具 有商用价值，因为它不需要庞大又昂贵的线圈、能量供应系统、电缆以及磁场线圈冷却 系统。在永磁型e c r 中，永磁结构一般被放在工艺腔的上面以维持轴向磁场。等离子 体首先产生于输入窗口下方，然后到达工艺腔中。典型的e c r 装置可产生密度为1 0 1 1 1 0 1 2 c l 弓的等离子体，并且可以通过改变微波功率的大4 崃调节电子温度、密度和电子 能量分布，从而增加高能电子的含量。但这种技术需要很大的磁场线圈，加工基片面积 不能太大，否则加工均匀性就很差，并且e c r 源的设备庞大、造价很高。 大连理工大学博士学位论文 图1 3 微波电子回旋共振等离子体源示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fe c r r e a c t o r 射频源 随着微电子工业的发展，尤其是平板显示器件的发展，迫切需要一种可加工大面积 基片的等离子体源。因而在上世纪9 0 年代初期电感耦合等离子体( i n d u c t i v e l yc o u p l e d p l a s m a ) 源【2 7 - 3 7 ，简称为i c p 源，得到了广泛的应用。i c p 源的顶端或侧壁处放置由射 频电源驱动的射频线圈，当射频线圈中加上交变的射频电流时，在石英玻璃的反应器中 就产生了交变的磁场，交变的磁场将感应出交变的电场，i c p 装置就是通过感应电场使 反应器中的气体电离从而产生等离子体。i c p 源最常用的频率为1 3 5 6 m i - i z 射频电源， 可以在低气压下与大平面范围内产生很高的等离子体密度。由于i c p 的感应线圈的尺寸 可以取得很大，同时线圈的直径和圈数是可变的，因此i c p 源也容易被调节，和e c r 微波放电等离子体相比，i c p 结构简单，性能价格比有优势，所以在i c p 源应用到半导 体工业之后发展很快，在微电子学、固体电子器件、材料科学等领域有着广泛的应用。 双频容性耦合等离子体物理特性的混合模拟 反应蜜 ( a ) 射绷稿撬 图1 4 感应耦合等离子体源示意图，( a ) 柱状线圈( b ) 平面线圈 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fi c pr e a c t o r ( a ) c y l i n d r i c a lc o i l ( b ) p l a n a rc o i l 在工业上应用的有几种形式的i c p 源。一种采用柱状线圈如图1 4 ( a ) 所示，这种 i c p 射频源的发射天线绕在电绝缘的真空容器外边，当通过匹配网络将射频功率加到天 线上时，天线中就有射频电流流过，于是产生射频磁通，并且在真空容器的内部沿着圆 筒形容器的角方向感应出射频电场。真空容器中的电子被电场加速，由这些电子产生密 集的等离子体，同时天线的能量被耦合到等离子体中。另外一种形式的i c p 源采用平面 线圈如图1 4 ( b ) 所示，其平面天线被放置在介质隔离的平面真空窗口，基片放置在下 游区域，真空窗口和基片之间的距离大约为5 0 一1 0 0 r n m ，加速电子的机理与柱状线圈 相同，等离子体的均匀性可以通过天线的结构来控制。i c p 源能够获得均匀的高密度等 离子，并且天线结构简单，通过减少天线的宽度能诱导耦合模式的变化，在整个环的直 径范围内，空间电场和电子温度都十分均匀。由此可见，i c p 源采用结构十分简单的天 线，可以在大范围内获得均匀的等离子体，同时采用法拉第屏蔽，可以有效的减小容器 壁的自偏压，避免容器壁附近自偏压过高引起材料溅射。由于i c p 源具有等离子体密度 高、工作气压低以及装置结构简单等优点，已在等离子体辅助加工领域中得到广泛的应 用。特别是对于半导体芯片刻蚀工艺，利用这种等离子体可以得到很高的刻蚀速率和很 好的定向刻蚀。 但是感应耦合等离子体源也存在着一些难以克服的缺陷。比如在实际的应用当中， 由于需要与射频电源相连接，线圈不可能做成完全几何对称的闭合环形，特别是在多个 环形线圈嵌套的情况下，电流的驻波效应使得线圈出现非对称的电流，这直接导致了其 产生非对称的感应电场，进而使得等离子体源的密度产生局部的非对称性；另一方面， 由于i c p 源自身的特点，当i c p 源的射频功率增大到某一点时，i c p 源会产生放电模式 的跃变，等离子体密度会发生跳跃式的变化。i c p 源的这些缺陷给工业上的工艺控制带 一6 一 大连理工大学博士学位论文 来了困难。在i c p 源广泛使用的同时，在主流的半导体刻蚀工业上更加迫切需要一种新 型的等离子体源。 1 3 双频容性耦合等离子体工作原理 为了适应半导体工业的发展，在传统c c p 的基础上，发展形成了一种双频容性耦 合等离子体( d u a l f r e q u e n c yc a p a c i t i v e l yc o u p l e dp l a s m ad f - c c p ) 【3 8 】源。与传统的c c p 源不同，双频c c p 由两个不同频率的电源共同驱动，如图1 5 所示，其中频率较高的电 源主要用于产生高密度的等离子体，而频率较低的电源用来控制离子在鞘层中的运动特 性，从而实现了对等离子体的密度和离子能量的分离控制。在传统的单频c c p 中如果 想要得到较高的密度，就需要在电极上加很高的偏压，这样，离子在电极附近的鞘层中 获得很高的能量，这些高能离子轰击到