半導(dǎo)體制程技術(shù)導(dǎo)論Chapter-7等離子體工藝

1、1Chapter 7 等離子體的根底原理.2目的列出至少三種運用等離子體的IC制程列出等離子體中重要的三種碰撞描畫平均自在程解釋等離子體在蝕刻和化學(xué)氣相堆積制程的益處說出至少兩種高密度等離子體系統(tǒng).3討論的主題什么是等離子體?為什么運用等離子體?離子轟擊等離子體制程的運用 .4等離子體制程的運用 化學(xué)氣相堆積蝕刻物理氣相堆積離子注入光刻膠剝除制程反響室的的干式清洗.5等離子體是什么?具有等量的正電荷和負(fù)電荷的離子氣體更準(zhǔn)確的定義:等離子體就是具有等量帶電性與中性粒子的氣體，等離子體本身就是這些例子的集體行為例如太陽,電弧等.6等離子體的成分等離子體是由中性原子或分子、負(fù)電(電子)和正電(離子)

2、所構(gòu)成準(zhǔn)-中性: ni ne離化率: h ne/(ne+nn).7離化率離化率主要受等離子體中的電子能量決議大部分等離子體制程反響室，等離子體的離化率小于0.001%.高密度等離子體源有較高的離化率,約 1%太陽中心的離化率約100%.8中性氣體密度理想氣體1摩爾 = 22.4 升 = 2.24104 cm31摩爾 = 6.621023 個分子 大氣壓下的氣體密度是2.961019 cm3托的氣體密度是 3.891016 cm3毫托的氣體密度是 3.891013 cm3射頻等離子體源有非常低的離化率.9等離子體的產(chǎn)生需求借助外界的能量射頻 (RF)電能是最常運用的電源產(chǎn)生一個穩(wěn)定的射頻等離子體

3、需求真空系統(tǒng)等離子體射頻功率暗區(qū)或鞘層電極至真空泵平行板等離子體系統(tǒng).10離子化e- + AA+ + 2 e-游離碰撞產(chǎn)生電子和離子維持等離子體的穩(wěn)定電子和中性原子或分子碰撞把軌道電子敲離核的束縛.11離子化的闡明自在電子入射撞擊軌道電子兩個自在電子軌道電子原子核原子核.12激發(fā)松弛e- + AA* + e-A* A +hn (光)不同的原子/分子有不同的頻率,也就是為什么不同的氣領(lǐng)會發(fā)出不同的顏色.偵測等離子體的發(fā)光變化來決議蝕刻和化學(xué)氣相堆積反響室清潔步驟的終端點(endpoint).13激發(fā)碰撞入射撞擊電子基態(tài)電子激態(tài)電子原子核原子核撞擊電子.14松弛基態(tài)hnhnh:普朗克常數(shù)n:光的頻

4、率激發(fā)態(tài).15分解電子和分子碰撞，可以打斷化學(xué)鍵并產(chǎn)生自在基: e- + AB A + B + e-自在基至少有一個未成對電子，化學(xué)上是容易起反響的.添加化學(xué)反響速率對蝕刻和化學(xué)氣相堆積制程非常重要.16分解ABe-Be-A分子自在基.17等離子體蝕刻氧化物蝕刻制程，在等離子體中運用CF4 產(chǎn)生氟(F)的自在基e- + CF4 CF3 + F + e-4F + SiO2 SiF4 + 2O增進蝕刻制程的化學(xué)反響.18等離子體增進化學(xué)氣相堆積化學(xué)反響PECVD氧化物的制程用硅烷和N2O (笑氣)e- + SiH4 SiH2 + 2H + e-e- +N2O N2 + O + e-SiH2 + 3

5、O SiO2 +H2O等離子體增進化學(xué)反響在相對低溫下，PECVD可達(dá)高的堆積速率.19問與答為何在銅和鋁的濺鍍制程中，分解碰撞并不重要?鋁和銅的濺鍍制程中僅運用惰性氣體氬氣。和其他氣體不同的是，惰性氣體是以原子而非分子的方式存在，因此在氬氣等離子體中并不會產(chǎn)生分解碰撞.20問與答在PVD制程中有分解碰撞嗎?有，在氮化鈦(TiN)的堆積中，會用到氬氣(Ar)和氮氣(N2)。在等離子體中，氮氣會被分解而產(chǎn)生自在基N，而自在基N又會和鈦產(chǎn)生反響而在鈦靶外表構(gòu)成氮化鈦，Ar+離子那么會把氮化鈦分子從鈦靶外表濺射出來而使之堆積在晶圓外表.21表7.1 硅烷的分解.22問與答表7.1中哪種碰撞最有能夠發(fā)

6、生?為什么?需求最少能量的碰撞便是最有能夠發(fā)生的碰撞.23平均自在程 (MFP)粒子和粒子碰撞前可以挪動的平均間隔.n是粒子的密度s 是粒子的碰撞截面.24平均自在程闡明大粒子小粒子大粒子小粒子(a)(b).25平均自在程 (MFP)壓力的影響壓力越高, 平均自在程越短壓力越低, 平均自在程越長.26問與答為何需求用到一個真空反響室來產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體?電子在大氣壓 (760托)的形狀下的平均自在程很短，電子很難去獲取足夠的能量使氣體離子化.在一個極度強大的電場下，等離子領(lǐng)會構(gòu)成弧光(arcing,像是閃電一樣)的型態(tài)，而非穩(wěn)定的輝光放電 (glow discharge).27帶電粒子的挪動電

7、子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子me mime:mH =1:1836電子和離子具一樣的電力F = qE電子有較高的加速度a = F/m.28帶電粒子的挪動射頻電場變化的非常快，電子可以快速的加速且開場碰撞，離子太重?zé)o法立刻對交流的電場作出反響由于離子的碰撞截面較大所以有較多的碰撞，也因此減緩離子的運動速度在等離子體中電子挪動的較離子快很多.29熱速度電子熱速度v = (kTe/me)1/2射頻等離子體,Te 約 2eVve 5.93107 cm/sec = 1.33107 mph.30磁力和螺旋運動磁力作用在一個帶電粒子上:F = qvB磁力總是垂直粒子的速度帶電粒子沿著磁場線螺旋狀旋繞.螺旋運動(Gyro-

8、motion).31螺旋運動帶電粒子軌跡磁力線.32螺旋轉(zhuǎn)動頻率磁場中的帶電粒子作螺旋運動環(huán)繞磁場線的頻率.33螺旋轉(zhuǎn)動半徑在磁場中帶電粒子的盤旋半徑,r, 可以下式表示:r = v/W.34能量,Ef(E)2 - 3eV具有足夠離子化能量的電子玻爾茲曼分布.35離子轟擊當(dāng)?shù)入x子體制程開場后，任何接近等離子體的東西都會產(chǎn)生離子轟擊對于濺鍍、蝕刻和等離子體加強式化學(xué)氣相堆積非常重要主要受射頻功率供應(yīng)影響壓力也會影響轟擊.36離子轟擊電子挪動比離子快很多電子首先到達(dá)電極和反響室墻邊電極帶負(fù)電，排斥電子，吸引離子.鞘極(sheath)電位差會加速離子朝向電極挪動，并呵斥離子轟擊.離子轟擊對濺鍍、蝕刻

9、和等離子體加強式化學(xué)氣相堆積非常重要.37鞘層電位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+鞘層區(qū)VpVfx暗區(qū)大量等離子體鞘層電位電極.38離子轟擊的運用協(xié)助如何到達(dá)非等向性蝕刻輪廓損傷機制阻絕機制氬濺鍍縫補縫隙的介電質(zhì)蝕刻金屬堆積協(xié)助控制PECVD制程中薄膜的應(yīng)力較重的離子轟擊，薄膜遭到的壓應(yīng)力越大.39直流偏壓和射頻功率的關(guān)系時間電壓(伏特)直流偏壓射頻電位等離子體電位.40直流

10、偏壓和射頻功率0時間等離子體電位0時間等離子體電位直流偏壓射頻電位直流偏壓較低的射頻功率 較小的直流偏壓 較高的射頻功率 較大的直流偏壓.41離子轟擊離子能量離子密度兩者受射頻功率控制.42離子轟擊控制添加射頻功率、添加直流偏壓，那么離子密度也添加.離子密度和離子轟擊能量都受射頻功率控制.射頻功率是控制離子轟擊最重要的把手射頻功率也用來做為加強式化學(xué)氣相堆積制程薄膜應(yīng)力的控制.43化學(xué)氣相堆積反響室等離子體的直流偏壓Vp = 10- 20V射頻熱電極接地電極暗區(qū)或鞘層區(qū)域.44蝕刻反響室等離子體的直流偏壓直流偏壓0時間晶圓電位等離子體電位自偏壓.45蝕刻反響室等離子體的直流偏壓V2A2A1V1

11、/V2 =(A2/A1)V1 = 200到 1000V4直流偏壓V1.46問與答假設(shè)電擊的面積比例為1:3，試問直流偏壓和自偏壓之間的差值為何?直流偏壓是V1,自偏壓是V1 - V2,因此,他們的差值是V1 - (V1 - V2)/V1 =V2/V1 = (A1/A2)4 = (1/3)4 = 1/81 = 1.23%.47問與答我們能否可以在等離子體中插入金屬探針來丈量等離子體電位V2?可以，但是當(dāng)探針接近等離子體時，它會遭到電子快速挪動的影響而帶負(fù)電，并在其外表和巨體等離子體間構(gòu)成鞘層電位。因此丈量的結(jié)果端視于鞘層電位的實際方式，但是這實際方式至今尚未完全開展完備.48離子轟擊和電極尺寸越

12、小的電極就會有較大的鞘層電壓，因此能產(chǎn)生較高能量的離子轟擊大多數(shù)的蝕刻反響室將晶圓放在較小的射頻熱電極.49運用等離子體的優(yōu)點IC消費線的等離子體制程:等離子體加強式化學(xué)氣相堆積化學(xué)氣相堆積反響室的干式清洗等離子體蝕刻物理氣相堆積離子注入.50化學(xué)氣相堆積制程運用等離子體的益處相對較低的溫度有較高的堆積速率.獨立的薄膜應(yīng)力控制反響室干式清洗.51PECVD和LPCVD的比較.52高密度等離子體化學(xué)氣相堆積間隙填充同時堆積和濺鍍間隙的開口逐漸變細(xì)金屬線之間的間隙從底部填充上來.530.25 mm, A/R 4:1高密度等離子體CVD無空洞的間隙填充.54蝕刻制程運用等離子體的益處非等向性蝕刻輪廓

13、高蝕刻速率光學(xué)式終端點偵測減少化學(xué)藥品的運用和廢棄物的處置.55物理氣相堆積制程運用等離子體的益處氬氣濺射薄膜質(zhì)量較高不純度低和較高的導(dǎo)電系數(shù)較好的均勻性較好的制程控制制程整合才干較高.較容易堆積金屬合金薄膜.56PECVD和等離子體蝕刻反響室CVD:添加資料到晶圓的外表自在基為了應(yīng)力控制的一些離子轟擊蝕刻: 將資料由晶圓外表移除自在基猛烈的的離子轟擊喜低壓，較好的離子定向性.57PECVD反響室離子轟擊控制薄膜的應(yīng)力晶圓放在接地電極射頻熱電極和接地電極兩者有一樣的面積非常小的自我偏壓離子轟擊能量大約10 20 eV,主要是由射頻功率大小決議.58PECVD反響室的表示圖等離子體吸盤RF晶圓.

14、59等離子體蝕刻反響室離子轟擊移除晶圓外表資料打斷化學(xué)鍵晶圓所在的電極面積較小自我偏壓離子轟擊能量晶圓上 (射頻熱電極): 200 1000eV反響室蓋子 (接地電極): 10 20 eV.60等離子體蝕刻反響室猛烈的離子轟擊產(chǎn)生熱能需求控制溫度以維護做為圖案光罩的光刻膠水冷式晶圓冷卻臺(夾盤,陰極)低壓不利于從晶圓轉(zhuǎn)移熱能到夾盤需求把氦氣注入晶圓的反面夾環(huán)或靜電夾盤 (E-夾盤)抓住晶圓.61等離子體蝕刻反響室蝕刻在低壓下進展較長的平均自在程,較多的離子能量和較少的濺鍍低壓, 長平均自在程,較少離子化碰撞很難產(chǎn)生和支撐等離子體磁極用來強迫電子以螺旋途徑挪動去添加碰撞的時機.62等離子體蝕刻反

15、響室表示圖制程氣體等離子體制程反響室副產(chǎn)品被真空泵抽走夾盤射頻功率 晶圓背端用氦氣冷卻 磁場線圈晶圓.63遙控等離子體制程需求自在基加強化學(xué)反響避開離子轟擊防止等離子體誘生損傷遙控等離子體系統(tǒng)因此應(yīng)運而生.64制程氣體等離子體微波或射頻功率制程反響室副產(chǎn)品被真空泵抽走遙控等離子體反響室自在基加熱板遙控等離子體系統(tǒng).65光刻膠剝除蝕刻后立刻移除光刻膠O2 和H2O的化學(xué)可以整合到蝕刻系統(tǒng)臨場蝕刻和光刻膠剝除同時改善消費率和良率.66光刻膠剝除制程H2O, O2等離子體OOH微波制程反響室H2O,CO2,至真空泵遙控等離子體反響室OOOHH外表有光刻膠的晶圓加熱板.67遙控等離子體蝕刻運用: 等向

16、性蝕刻制程:硅的部分氧化或淺溝槽絕緣氮化物剝除酒杯狀接觸窗孔蝕刻可以整合再等離子體蝕刻系統(tǒng)改善消費率部分往取代濕式蝕刻制程努力.68NF3等離子體FFFFN2N2F微波制程反響室N2,SiF4, 至真空泵遙控等離子體反響室加熱板晶圓遙控等離子體蝕刻系統(tǒng).69遙控等離子體清潔法堆積不只發(fā)生在晶圓外表CVD反響室需求例行清潔防止薄膜破裂的粒子污染物等離子體清潔普通運用氟碳化合物的氣體離子轟擊影響零件的壽命氟碳化合物的分解率低環(huán)保人士很在意氟碳化合物的釋出.70遙控等離子體清潔法微波高密度等離子體自在基流入CVD反響室和堆積薄膜反響并且移除清潔反響室緩和的制程,延伸零件的壽命高分解,少量氟碳化合物釋

17、出.71NF3等離子體FFFFN2N2F微波CVD反響室N2,SiF4, 至真空泵遙控等離子體反響室加熱板遙控等離子體清潔法表示圖.72遙控等離子體CVD (RPCVD)磊晶硅鍺(Si-Ge)資料為高速雙載子互補型金氧半晶體管仍在研發(fā)中匣極介電質(zhì):SiO2, SiON,和Si3N4高介電常數(shù)(k) :HfO2,TiO2,和Ta2O5 PMD氮化物阻撓層LPCVD:熱積存的限制PECVD:限制等離子體誘發(fā)損傷.73高密度等離子體(HDP)能在低壓下產(chǎn)生高密度等離子體是最大的希望低壓有較長的平均自在程，較少的離子濺鍍，增進蝕刻輪廓的控制.密度越高,離子和自在基也越多增進化學(xué)反響添加離子轟擊對CVD

18、制程,HDP在臨場,同步堆積/回蝕/堆積時增進間隙填充才干.74平行平板等離子體源的限制電容耦合型等離子體源無法產(chǎn)生高密度等離子體在低壓下即使在磁場中，要產(chǎn)生等離子體依然很難,約幾毫托(mTorr)電子的平均自在程太長,無法構(gòu)成足夠的離子化碰撞.75平行平板等離子體源的限制不能單獨控制離子束流和離子能量兩者直接與射頻功率相關(guān)較佳的制程控制需求一個可以單獨控制離子通量和離子能量的等離子體源.76感應(yīng)耦合型等離子體(ICP)和電子盤旋共振(ECR)在IC工業(yè)上最常運用感應(yīng)耦合型電漿, ICP亦稱作變壓器耦合等離子體源,TCP電子盤旋共振, ECRICP可以在低壓的形狀(幾個毫托)制造高密度等離子體

19、可以單獨控制離子束流和離子能量.77感應(yīng)耦合型等離子體(ICP)射頻電流經(jīng)過線圈時，經(jīng)由感應(yīng)耦合會產(chǎn)生一個隨時間變化的電場盤旋型電場使電子加速也是往盤旋方向加速.電子因盤旋而能挪動很長的間隔而不會撞到反響室墻壁或電極.離子化碰撞能在低壓形狀產(chǎn)生高密度等離子體.78感應(yīng)耦合型等離子體(ICP)偏壓射頻功率控制離子轟擊能量射頻功率來源控制離子束流必需有一個反面氦氣冷卻系統(tǒng)和靜電夾盤(E-chuck)來控制晶圓溫度.79感應(yīng)耦合原理表示圖線圈中射頻電流 射頻磁場 感應(yīng)電場.80ICP反響室表示圖氦氣射頻偏壓晶圓靜電夾盤等離子體感應(yīng)線圈射頻功率源反響室主體陶瓷蓋.81ICP的運用介電質(zhì)化學(xué)氣相堆積 一切的圖案蝕刻制程金屬堆積之