双频容性耦合等离子体刻蚀工艺的物理基础

1、,双频容性耦合等离子体物理特性的研究* 王 友 年 大连理工大学物理与光电工程学院 * 国家自然科学基金重点项目资助课题,内 容 一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及存在的问题 二、几种有代表性的等离子体源 三、描述 DF-CCP物理过程的解析模型 四、描述 DF-CCP物理过程的混合模型 五、直流偏压效应 六、有关实验工作进展,一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及问题 低温等离子体刻蚀技术在微纳制造工艺中得到广泛地应 用，如超大规模集成电路、微机械系统、微光学系统的制 备。,1）半导体芯片加工 2）微电机系统（MEMS)加工 3）平板显示器的加工 4）衍射光栅的制备,微齿轮,微结构,集成电路发展趋势

2、: 加工晶圆的面积更大 特征尺寸越来越小 集成度越来越高,对等离子体源的要求: 高的刻蚀率 高度的均匀性 高度的各向异性 高度的选择性 较低的介质损伤,等离子体刻蚀工艺的趋势, 均匀性 刻蚀的均匀性包含两层意思： 1）宏观的不均匀性：在晶片的径向上造成的刻蚀率和刻蚀剖 面的不均匀性。 2）微观不均匀性：在每个微槽的底部和侧面造成的刻蚀不均匀性。,等离子体密度,0,R,为了适应纳电子器件的制备工艺，必须要： 1）提出大面积、高密度、均匀等离子体的新方法； 2）提出优化刻蚀工艺的新方法。,实验 (或工艺) 研究 计算机仿真模拟,1、平板式是射频容性耦合等离子体(CCP)源,plasma,RF po

3、wer 13.56MHz,进气,抽气,介质,电极,开始于上个世纪70年代，主要用于反应性等离子体刻蚀工艺。,单频CCP源的主要优点： 1.工作气压比较低（mTorr) 2.能够产生比较均匀的plasma 3.结构简单，造价低 .,二、几种有代表性的等离子体刻蚀源,根据熟知的定标关系可知：等离子体密度正比于驱动电源频率的平方和施加的偏压，即 当电源频率w一定时, 要提高等离子体密度，唯一的途径是增加施加偏压。但增加施加的射频偏压时，轰击到晶片上的离子能量也随着增加。太高的离子能量，将对晶片造成不必要的介质损伤。 早期使用的都是单一频率射频电源（13.56MHz)驱动放电的CCP源，很难实现对等离

4、子体密度（正比于刻蚀率）和入射到晶片上离子的能量分布的独立控制。,2、微波电子回旋共振(ECR)/RF偏压等离子体刻蚀源,3、射频感应耦合等离子体( ICP)/RF偏压刻蚀源,RF biased electrode,wafer,coil,Insulating plate,平面线圈感应耦合等离子体源, 主电源（连接在线圈）控制等离子体的状态； 偏压电源（施加在芯片台上）控制离子轰击晶片上的能 量分布。,感应耦合等离子体(ICP)源的特点,特点,解决的问题,工作气压低( 2Pa ),等离子体密度高(1011 cm-31012cm-3),产生等离子体的射频源与基片台射频源独立控制,提高各向异性刻蚀,

5、提高离子流密度 提高刻蚀率,提高刻蚀的选择性 降低晶圆介质损伤,问题： 1）适于刻蚀金属、半导体材料； 2）产生大面积的均匀性等离子体比较困难。,4、双频电容耦合等离子体（DF-CCP)源,Upper electrode,LF source,HF source,Plasma,lower electrode,1）高频电源控制等离子体密度、低频电源控制离子的能量。 2）产生高密度、大面积均匀等离子体； 3)实现对绝缘体SiO2的刻蚀。,（2000年-）,DF-CCP 源,目前一些半导体设备制造公司已经研制出或正在研制这种等离子体刻蚀设备，如： 1）美国的Lam（泛林）公司 2)美国Applied

6、Materials公司 3)日本Tokyo Electron 4)中微(上海)半导体设备制造有限公司(AMEC ),DF-CCP sources,目前对这种双频CCP放电的物理过程和相应的刻蚀机理，仍有很多问题需要研究, 如： 1）两个电源的频率匹配问题， 27MH/1MHz, 27MH/2MHz，60MHz/2MHz？ 2）两个电源的施加方式， 施加在同一个电极，还是分别在两个电极？ 3）高频电源的频率到达多高为好？ 驻波效应？如何匹配电源的频率和腔室的半径？,Typical operating conditions for dielectric etching on 200-300 mm

7、silicon wafers are: discharge radius: R15-25 cm plate separation l1-5cm high frequency fh 27.1-160 MHz low frequency fl 2-13.6 MHz high-frequency voltage amplitude |Vh| 250-1000 V low-frequency voltage amplitude |Vl| 500-3000 V powers for both low- and high-frequency sources: 500-3000 W discharge pr

8、essure p 30-300 mTorr,驻波效应： 在超高频情况下，电磁波的波长l可以与放电装置的反应腔室（或电极半径）R相当，从而可以在等离子体腔室内部激发一个径向传播的电磁波，即驻波，引起等离子体密度径向不均匀性。这对芯片刻蚀的均匀性影响很大。,Shaped lower electrode,L. Sansonnens et al., J. Vac. Sci. Techn. A24,1 425 (2006),Method for suppressing standing-wave nonuniformity,尽管一些厂家研制的这种刻蚀机已在线生产，但对于这种相关的基础研究开展的不多： 为

9、数不多的理论研究和计算机模拟工作； 相关的实验研究工作很少（2006年-）。 原因： 1）在线使用的刻蚀机是一个“黑匣子”，没有留任何窗口对其中的等离子体进行诊断。 2）在超高频或双频放电情况下，诊断难度很大，对现有的探针诊断技术是一个挑战。,三、 描述DF-CCP物理过程的解析模型,Jrf(t)=Jlcos(wlt)+ Jhcos(wht),Ion density is homogeneous Electron density is step-like distributions,高频电源-快速振荡 低频电源-振荡的轮廓线,等离子体密度,VL= 400V，fL=2MHz, d=2cm, p=

10、5mTorr,Influence of high-frequency power on the plasma density,VL= 400V，fH=60MHz, VH=200V, d=2cm, p=5mTorr,Influence of low-frequency on IEDF,四、 描述DF-CCP物理过程的混合模型,基本思想： 采用流体力学方法描述等离子体的宏观输运过程电场分布； 采用Monte-Carlo方法模拟在鞘层中与中性粒子的碰撞过程。,Input parameters: fL, fH, PL, PH, D, p,Fluid model in sheath: E(x,t), V

11、(x,t), ni(x,t), s(t), Vsh(t),MC method: IEDF, IADF,Electron flux,Electron energy flux,Electron energy loss,Fluid models: Ar plasmas,ionization,E(x,t),xj, vj,Ion positions xj(t) and velocities vj(t) between two contiguous collisions. Please notice: the ion trajectory is a beeline under the action of

12、the electric field.,离子在鞘层中受鞘层电场的运动,e0,e1,qr,离子在鞘层中与中性粒子的碰撞, 弹性碰撞 电荷交换碰撞,One-dimensional model,When the chamber radius R is far larger than the distance d between two electrodes, we can use the 1D model to simulate the discharge, i.e., Rd.,x=0,x=d,LF,HF,Influence of HF-power frequency on plasma densi

13、ty,P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl =400V fl = 2MHz, fh = 20, 30, 60MHz,P=50 mTorr, Vh=50 V, Vl=100V, fh =60 MHz, fl=2,5, 10, 13.56 MHz,Influence of LF-power frequency on plasma density,P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl =400V fl = 2MHz, fh = 20, 30, 60MHz,Influence of HF-power frequency on sheath voltage drop,

14、平均鞘层电位降： 与解析模型的比较,fh = 30MHz, P =50mTorr, Vh = 200V, Vl = 400V,fl = 2MHz P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl = 400V,离子入射到电极上的能量分布,HF power,LF power,H,2R,D,Schematic diagram of DF-CCP,H= 2.45cm 2R=43.18cm D=6.35cm,Two-dimensional model,I. Influence of high frequency fH, averaged electron density:,27MHz,40MHz

15、,60MHz,VHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorr,The electron density increases significantly as increasing values of fL., averaged electron temperature:,27MHz,40MHz,60MHz,VHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorr,The electron density increases slightly as increasing values of fL.,II. influence of l

16、ow frequency,12MHz,With the increase of low frequency, two sources become from decoupling to coupling, and the electron density increases significantly when two sources coupling.,2MHz,6MHz, averaged electron density:,VHF=50V, VLF=100V, fH =60 MHz, p=100 mTorr, Averaged electron temperature:,2MHz,Wit

17、h the increase of low frequency, the temperature of electrons increases slightly.,6MHz,12MHz,VHF=50V, VLF=100V, fH =60 MHz, p=100 mTorr,Ez in a LF period:,VHF = 50V, VLF = 100V, fLF = 2MHz, fHF = 60MHz, p = 100mTorr,Er in a LF period:,VHF = 50V, VLF = 100V, fLF = 2MHz, fHF = 60MHz, p = 100mTorr,Flui

18、d simulations for CF4 plasmas (1D),Basic model CF4 plasma is an electronegative discharge, i.e., there are no negative ions in the discharge. The plasma is composed of neutrals (atoms and molecules), electrons, positive ions, and negative ions.,There are more than 30 reaction equations in the discha

19、rge.,For simplification, we consider only four reaction processes, i.e., Ionization: CF4+e CF3+ +F+2e Attachment: CF4+e CF3 +F- Recombination: CF3+ + e CF3 Dissociation: CF4+e CF3 +F + e and four species of particles: electrons, CF4, CF3+, F-,Plasma Physics Model (electrons and ions):,Ki ionization

20、rate,Ka attachment rate,Krec recombination rate,fL = 2MHz, fH = 60MHz, VL = 2000V, VH = 1000V, Ddielectric=0.5mm,Numerical results,Influence of the discharge pressure on charged particle densities,Influence of the HF voltage on charged particle densities,fL = 2MHz, fH = 60MHz, VL = 1000V, p=100 mTor

21、r, Ddielectric=0.5mm,五、直流偏压效应,Local electric field within micro trough,Positive charged accumulated on dielectric,Side etching,E,plasma,LF,DC,HF,抑制正电荷积累的方法: DF-CCP/DC协同放电,1D PIC/MC simulations for Ar discharges,Our recent publications about simulations of DF-CCP,1. Z. Q. Guan, Z. L. Dai and Y. N. Wa

22、ng “Simulations of dual rf-biased sheaths and ion energy distributions arriving at a dual rf-biased electrode ”, PHYSICS OF PLASMAS 12, 123502 (2005) 2. Z. L. Dai, X. Xu and Y. N. Wang “A self-consistent hybrid model of a dual frequency sheath: Ion energy and angular distributions , Phys. Plasmas 14

23、, 013507(2007) 3. W. Jiang, M. Mao and Y. N. Wang “A time-dependent analytical sheath model for dual-frequency capacitively coupled plasma ”, Phys. Plasmas 13, 113502(2006) 4. S. Wang, X. Xu and Y. N. Wang “Numerical investigation of ion energy distribution and ion angle distribution in a dual-frequ

24、ency capacitively couple plasma with a hybrid model”, be published in Physics of Plasmas,Improving hybrid simulations, including 1D simulations for CF4 or CF4/Ar discharges 2D simulations for CF4 or CF4/Ar discharges,Interesting quantities: Energy distribution functions of different species ions ( such as Ar+, CF3+) at substrates; Angle distribution functions of different species ions ( such as Ar+, CF3+) at substrates; Energy and angle distributions of radicals at substrates.,Radial variations,Next plan for o