反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)的原理

1、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)的原理本頁(yè)僅作為文檔封面，使用時(shí)可以刪除This document is for reference only-rar21year.March摘要：詳細(xì)闡述離子刻蝕技術(shù)的原理，反應(yīng)腔功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，著重介紹適應(yīng) 集成電路特征尺寸微細(xì)化發(fā)展所采用的新技術(shù)。關(guān)鍵詞：刻蝕，等離子體，射 頻 Author: 劉曉明 from Applied Material （China） -SolidState Technology（ China） 前 言目前，整個(gè)集成電路制造技術(shù)向著高集成度、小特征尺寸（CD）的方向發(fā) 展。硅片直徑從最初的4英寸發(fā)展到已批量生產(chǎn)的12 英寸生產(chǎn)線。同時(shí)，衡量 半導(dǎo)

2、體制造技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)特征尺寸亦朝著微細(xì)化方向發(fā)展，從最初的5祄 發(fā)展到當(dāng)前的110nm、90nm、65nm。而刻蝕是決定特征尺寸的核心工藝技術(shù) 之一。刻蝕技術(shù)分為濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕采用化學(xué)腐蝕進(jìn)行，是傳 統(tǒng)的刻蝕工藝。它具有各項(xiàng)同性的缺點(diǎn)，即在刻蝕過(guò)程不但有所需要的縱向刻 蝕，還有不需要的橫向刻蝕，因而精度差，線寬一般在 3 祄以上。干法刻蝕是 因應(yīng)大規(guī)模集成電路電路生產(chǎn)的需要而被開(kāi)發(fā)出的精細(xì)加工技術(shù)，它具有各項(xiàng) 異性的特點(diǎn)，在最大限度上保證了縱向刻蝕，還控制了橫向刻蝕。目前流行的 典型設(shè)備為反應(yīng)離子刻蝕（RIE-Reactive Ion Etch）系統(tǒng)。它已被廣泛應(yīng)用于微處 理器（

3、CPU）、存儲(chǔ)（DRAM）和各種邏輯電路的制造中。其分類按照刻蝕的材 料分為介電材料刻蝕（Dielectric Etch）、多晶硅刻蝕（Poly-silicon Etch）和金屬 刻蝕（Metal Etch）。反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)的原理刻蝕精度主要是用保真度（Profile）、選擇比（Selectivity）、均勻性（Uniformity）等參數(shù)來(lái)衡量。所謂 保真度度，就是要求把光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到其下的薄膜上,即希望只刻蝕所要刻 蝕的薄膜，而對(duì)其上的掩膜和其下的襯底沒(méi)有刻蝕。事實(shí)上，以上三個(gè)部分都 會(huì)被刻蝕，只是刻蝕速率不同。選擇比（Selectivity）就是用來(lái)衡量這一指標(biāo)的 參數(shù)。S=V/U

4、（V為對(duì)薄膜的刻蝕速率，U為對(duì)掩膜或襯底的刻蝕速率），S越 大則選擇比越好。由于跨越整個(gè)硅片的薄膜厚度和刻蝕速率不盡相同，從而也 導(dǎo)致圖形轉(zhuǎn)移的不均勻，尤其是中心（Ce nter）和邊緣（Edge ）相差較大。因 而均勻性（Etch Rate Un iformity ）成為衡量這一指標(biāo)的重要參數(shù)。除以上參數(shù) 外，刻蝕速率（Etch Rate）也是一個(gè)重要指標(biāo)，它用來(lái)衡量硅片的產(chǎn)出速度， 刻蝕速率越快，則產(chǎn)出率越高。反應(yīng)離子刻蝕是以物理濺射為主并兼有化學(xué)反 應(yīng)的過(guò)程。通過(guò)物理濺射實(shí)現(xiàn)縱向刻蝕，同時(shí)應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)來(lái)達(dá)到所要求的選 擇比，從而很好地控制了保真度?？涛g氣體（主要是F基和CL基的氣體）在高

5、 頻電場(chǎng)（頻率通常為）作用下產(chǎn)生輝光放電，使氣體分子或原子發(fā)生電離，形 成等離子體”（Plasma）。在等離子體中，包含有正離子（Ion+）、負(fù)離子（Ion- ）、游離基（Radical）和自由電子（e）。游離基在化學(xué)上是很活波的，它與被 刻蝕的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成能夠由氣流帶走的揮發(fā)性化合物，從而實(shí)現(xiàn)化 學(xué)刻蝕。另一方面，如圖1所示，反應(yīng)離子刻蝕腔體采用了陰極（Cathode ）面 積小，陽(yáng)極面積大的不對(duì)稱設(shè)計(jì)。在射頻電源所產(chǎn)生的電場(chǎng)的作用下帶負(fù)電的 自由電子因質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)速度快，很快到達(dá)陰極；而正離子則由于質(zhì)量大，速 度慢不能在相同的時(shí)間內(nèi)到達(dá)陰極,從而使陰極附近形成了帶負(fù)電的鞘層電壓。

6、 同時(shí)由于反應(yīng)腔的工作氣壓在10-310-2Torr,這樣正離子在陰極附近得到非常有 效的加速，垂直轟擊放置于陰極表面的硅片，這種離子轟擊可大大加快表面的 化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)生成物的脫附，從而導(dǎo)致很高的刻蝕速率。正是由于離子轟擊 的存在才使得各向異性刻蝕得以實(shí)現(xiàn)。attach201183/attach圖1. DPSII刻蝕 腔結(jié)構(gòu)圖初期的射頻系統(tǒng)普遍為電容式耦合單射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Bias RF）。但隨 著工藝要求的不斷提高，雙射頻設(shè)計(jì)（Bias RF和SourceRF )開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。特別是到 65nm 以后，這已經(jīng)成為必然選擇。該設(shè)計(jì)方 式能把離子的轟擊速度和濃度分開(kāi)控制，從而更好地控制刻蝕速率

7、、選擇比、 均勻性和特征尺寸(CD)。傳統(tǒng)的單射頻系統(tǒng)為了提高刻蝕速率，通常會(huì)增加 RF功率以提高電場(chǎng)強(qiáng)度，從而增加離子濃度(Ion Density)、加快刻蝕。但離 子的能量(Ion Energy)也會(huì)相應(yīng)增加，損傷硅片表面。為了解決這一問(wèn)題，半 導(dǎo)體設(shè)備廠商普遍采用了雙射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也就是在原有基礎(chǔ)上，增加一個(gè)置 于腔體頂部的射頻感應(yīng)電場(chǎng)來(lái)增加離子的濃度。其工作原理如下，如圖2 所 示，一個(gè)射頻電源(Source RF)加在一個(gè)電感線圈上，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)從而產(chǎn)生 感應(yīng)電場(chǎng)。該電場(chǎng)加速產(chǎn)生更多的離子，而又不直接轟擊硅片。attach201184/attach 圖 2. 電感耦合原理圖此外，在反

8、應(yīng)腔四周安裝電磁場(chǎng)也 是被廣泛應(yīng)用的以增加離子濃度的重要手段。電子在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的共同作用下 將作圓柱狀回旋運(yùn)動(dòng)而不是電場(chǎng)下的直線運(yùn)動(dòng)。磁場(chǎng)的存在將直接導(dǎo)致反應(yīng)氣 體電離截面的增加。磁場(chǎng)的引進(jìn)會(huì)增強(qiáng)離子密度，并使得等離子刻蝕技術(shù)可以 在更低氣壓下得以運(yùn)用(10 mT)。由于離子密度的增加，撞擊表面的離子能 量也可以在不降低刻蝕速率的情況下被降低，從而提高刻蝕選擇比。反應(yīng)腔功 能與結(jié)構(gòu)一個(gè)典型的刻蝕腔體(Plasma Etch Chamber)主要由以下幾個(gè)部分組 成：1.反應(yīng)腔由鋁合金反應(yīng)腔體、換洗套件(Swap Kit)和工藝套件(Process Kit)組成。它們與陰極(Cathode)和腔

9、體上蓋一起構(gòu)成產(chǎn)生等離子體的反應(yīng) 室。在設(shè)備的定期保養(yǎng)和清洗過(guò)程中，只需更換換洗套件、工藝套件和腔體上 蓋，從而延長(zhǎng)了腔體的使用壽命、縮短了保養(yǎng)時(shí)間、提高了生產(chǎn)效率。 2真 空及壓力控制系統(tǒng)刻蝕反應(yīng)腔工作在真空狀態(tài)下，工作壓力一般在 10-310- 2Torr之間。整個(gè)系統(tǒng)主要由干泵(Dry Pump)、分子泵(Turbo Pump)、調(diào)壓 閥(Throttle Valve)、門閥(Gate Valve)、隔離閥(Isolation Valve)、真空計(jì) 和各種真空檢測(cè)開(kāi)關(guān)組成。干泵真空度通常能達(dá)到100mT,分子泵則能達(dá)到， 分子泵的選型根據(jù)刻蝕壓力和刻蝕腔容積的不同而不同。隨著硅片由 20

10、0mm 發(fā)展到300mm，極限真空的要求越來(lái)越高，分子泵的抽速越來(lái)越大。從300- 2200L/S發(fā)展到1600-2500L/S。為了進(jìn)一步提高刻蝕的均勻性，某些產(chǎn)品還采用 了雙分子泵設(shè)計(jì)，如應(yīng)用材料公司的300mm EMAX。壓力的測(cè)量是由真空計(jì)來(lái) 實(shí)現(xiàn)的，要求具有精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。薄膜式電容真空計(jì)(Manometer)則因具備上述特點(diǎn)，而被業(yè)界廣泛應(yīng)用。其量程范圍有100mT，1T和10T三種。金屬和多晶硅刻蝕多選用100mT真空計(jì)，而介電材料 刻蝕選用1T真空計(jì)。壓力控制由電動(dòng)調(diào)壓閥(Throttle Valve)來(lái)完成。3.射頻 (RF)系統(tǒng)射頻系統(tǒng)由射頻發(fā)生器(RF Gen e

11、rator )和匹配器(RF Match )組成，發(fā)生器產(chǎn)生的射頻信號(hào)首先輸出到匹配器，然后輸出到反映腔陰極。該系 統(tǒng)通常有兩種組合方式：常用的為固定頻率射頻發(fā)生器和可調(diào)匹配器；另一種 則為變頻式射頻發(fā)生器和不可調(diào)匹配器。當(dāng)反應(yīng)腔內(nèi)的等離子體形成后，整個(gè) 腔體為可變電容性負(fù)載。對(duì)于第一種組合方式，射頻發(fā)生器的輸出頻率和功率 固定，匹配器則自動(dòng)調(diào)節(jié)其內(nèi)部的可變電感(L)實(shí)現(xiàn)共振；同時(shí)調(diào)節(jié)可變電容 器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配(50Q )以減小反射頻率，從而使發(fā)生器的功率最大限度地 輸出到陰極。對(duì)于第二種組合方式，匹配器由固定的電容和電感組成，射頻發(fā) 生器通過(guò)調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)共振，同時(shí)增大實(shí)際輸出功率來(lái)保證輸出到

12、陰極的功率 達(dá)到設(shè)定值。 4.靜電吸盤和硅片溫度控制系統(tǒng)在 200mm 和 300mm 集成電路制造設(shè)備中，各供 應(yīng)商普遍采用了靜電吸盤(Electrostatic Chuck)技術(shù)，而拋棄了傳統(tǒng)的機(jī)械固 定模式。它提高了刻蝕均勻性、減少了塵埃微粒(Particle)。同時(shí)，熱交換器 和硅片背面氦氣(He)冷卻技術(shù)進(jìn)行溫度控制的運(yùn)用確保了整個(gè)硅片在刻蝕過(guò) 程中的溫度均勻，從而減少了對(duì)刻蝕速率均勻性的影響。靜電吸盤按照原理分 為庫(kù)侖力靜電場(chǎng)吸附和 Johnsen-Rahbeck 效應(yīng)兩種，主要是利用吸盤上所加高電 壓(HV)與硅片上因等離子效應(yīng)而產(chǎn)生的負(fù)電壓(DC Bias)之間的電壓差將硅片

13、吸附到吸盤上。它們采用了不同的介電材料，前一種采用高分子聚合物(Polymer)，后一種則采用氮化鋁(AIN)。它們與高電壓(HV Module)發(fā)生 器相配合，產(chǎn)生可通過(guò)軟件設(shè)定的電壓值。總的來(lái)說(shuō)，高分子聚合物靜電吸盤 所需電壓較高，漏電流也大，使用壽命較短。而陶瓷靜電吸盤(ALN Ceramic ESC)價(jià)格相對(duì)昂貴，但使用壽命長(zhǎng)，能提供更穩(wěn)定的吸附力(Chucking Force)和背氦控制。5.氣體流量控制系統(tǒng)刻蝕氣體的流量由質(zhì)量流量控制器(MFC)來(lái)控制，其流量范圍一般為50-1000sccm,控制精度可達(dá)+/-1%，流量 穩(wěn)定時(shí)間1s。該控制器按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為模擬電路型，數(shù)字電路

14、型及目前 最先進(jìn)的壓力變化補(bǔ)償型(PTI-Pressure Tra nsie nt Insen sitive Tech no logy)。該控 制器能夠自動(dòng)補(bǔ)償氣源壓力的波動(dòng)，保證輸出流量穩(wěn)定。 6刻蝕終點(diǎn)檢測(cè)系 統(tǒng)該系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)刻蝕設(shè)備中，以保證刻蝕深度。其工作原理為通過(guò) 檢測(cè)特定波長(zhǎng)的光，來(lái)確定刻蝕是否結(jié)束。通常有兩種方式：一是檢測(cè)參與反 應(yīng)的化學(xué)氣體濃度突然升高，或者檢測(cè)反應(yīng)生成物的濃度驟然下降。該設(shè)備按 照檢測(cè)波長(zhǎng)的范圍可分為單波長(zhǎng)(High Optical Throughput )和分光鏡(Mo nochromator)兩種。前者只能通過(guò)特定波長(zhǎng)的光，后者可通過(guò)電機(jī)控制 分光鏡的角度將所需波長(zhǎng)的光分離出來(lái)。 7傳送系統(tǒng)傳送系統(tǒng)由機(jī)械手(Robot)、硅片中心檢測(cè)器和氣缸等主要部件組成。機(jī)械手負(fù)責(zé)硅片的傳入和 傳出。在傳送過(guò)程中，中心檢測(cè)器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)硅片中心在機(jī)械手上的位置，進(jìn) 而補(bǔ)償機(jī)械手伸展和旋轉(zhuǎn)的步數(shù)以保證硅片被放置在靜電吸盤的中心。硅片在 反應(yīng)腔中通常有硅片刻蝕時(shí)的位置硅片被傳送時(shí)的位置，它們是通過(guò)氣缸帶動(dòng) 波紋管上下運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 8系統(tǒng)軟件及控制隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，用在刻 蝕設(shè)備上的專業(yè)控制軟件也從傳統(tǒng)的 DOS 或類 DOS 操作界面過(guò)渡到了 Wi