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脈沖等離子體技術在干法刻蝕領域應用研究進展
發布時間:2017-03-04

本文介紹了脈沖等離子體技術在干法刻蝕領域的應用背景,從半導體制程工藝需求層面講述了納米量級的刻蝕制程對等離子體參數的需求。重點對脈沖等離子體工作機制、脈沖匹配技術和脈沖等離子體診斷技術研究進展進行了論述。

關鍵詞:干法刻蝕,等離子體損傷,脈沖等離子體

1. 引言

伴隨著摩爾定律的發展,半導體芯片的晶圓尺寸越來,刻蝕的線寬也逐步縮小。隨著線寬的逐步降低,等離子體刻蝕過程導致的損傷問題日益突出。這使得等離子體刻蝕過程需要滿足如下要求:對襯底無損傷、更好的均勻性、更高的選擇比、更好的各向異性和更高的產出等。為了滿足這些需求,人們積極研究一些新材料用于下一代集成電路,也同時促使工業界及學術界不斷設計及研究適用于下一代的等離子體刻蝕技術,使等離子體源具有更多的調節手段、更寬的工藝窗口。

一般來說,等離子體損傷(PID)主要包含以下因素:

1)由于高能離子轟擊晶片引起的表面物理損傷;

2)光子輻射轟擊晶片引起的損傷;

3)等離子體非均勻性引起的損傷;

4)電荷分布的不均勻性引起的損傷;

5)各向同性的電子在大深寬比的頂部積累負電荷,定向的離子在溝槽的底部積累正電荷,這樣也會導致 PID 的產生。

2. 脈沖等離子體工作機制

通常,等離子體刻蝕設備多采用連續波(CW)射頻源,即射頻源提供連續的功率或者電壓激發等離子體。在過去的二十多年里,一些研究者通過模擬及實驗證明采用脈沖射頻模式可以擴大等離子體參數控制窗口,可提高工藝過程控制的靈活性。

對于射頻脈沖模式,主要有兩個參數,一個是脈沖頻率(pulse frequency),即射頻源每秒開關的次數;另一個是占空比(duty cycle),即脈沖開啟的時間占整個脈沖周期的比例。如圖1所示:


1.脈沖調制等離子體作用示意圖:(1): 脈沖初期;(2): 脈沖后期;(3): 后輝光前期;(4): 后輝光后期(duty cycle=ton/(ton+toff_

通過改變脈沖頻率及占空比,可以實現對等離子體參數的調控,如離子密度、電子密度、電子溫度、等離子體化學成分和等離子體電位等。對刻蝕工藝常用的電負性氣體,可以在脈沖關閉階段形成離子-離子等離子體,對于氧化層刻蝕可以實現高選擇比、高各向異性、無底部凹槽;同時可以使得刻蝕中出現的圖形扭曲現象得到抑制。此外,脈沖的施加從時間尺度上減少了高密度等離子體紫外輻射及高能離子轟擊導致的晶片損傷。

  在射頻等離子體刻蝕領域,等離子體源刻蝕機類型可以分為兩類:一類是以RIE為代表的CCP等離子體源,采用60MHz/2MHz的射頻頻率或者13.56MHz/DC的配置方式;另一類是ICP-CCP等離子體源,通常采用13.56MHz的射頻頻率,包含一個感應耦合等離子體源(ICP),控制等離子體密度,一個容性耦合等離子體源(CCP),控制偏壓能量,如圖2所示。

2.ICP-CCP源結構示意圖

3. 脈沖等離子體匹配技術

對于ICP-CCP脈沖放電,目前存在的主要技術性問題是反射功率高。在低于幾個 mTorr的氣壓下,可以觀察到當主電源是脈沖模式時,由于等離子體電抗隨脈沖變化很快,偏壓電源很難耦合到等離子體上,反射的偏壓功率很大。尤其是脈沖頻率大于1 kHz(脈沖弛豫時間小于1s)時,功率反射非常明顯,使得可以使用的穩定起輝窗口受到限制。

  射頻功率的耦合是脈沖等離子體技術應用中一個重要的挑戰。發展脈沖的等離子體技術的焦點之一就是改進在亞微秒模式下的射頻功率耦合。為了提高脈沖放電條件下功率耦合,人們采用了多種功率匹配方式。

一是在脈沖放電時,保持匹配器中的可變電容在一個固定位置,該位置與連續波放電的情況一樣,并假設前輝光階段的調諧電容與連續波放電的時候相同。二是采用電源調頻技術,即調節RF頻率在基頻附近,使得電抗能夠匹配。這種技術響應速度快,能跟上脈沖頻率變化,實時調整電路中的阻抗,使之總是在最佳匹配狀態。三是采用時間分辨的方法,即隨時調整脈沖匹配方法,調節匹配網絡使得RF功率在較長的時間尺度上釋放,而在較短的時間尺度上利用調頻技術,同時提出可調電容固定在占空比為90%的這一位置。

4. 脈沖等離子體診斷

  在脈沖等離子體參數診斷方面,大多數研究者聚焦于脈沖等離子體溫度、密度、離子通量和成分變化上。有研究者采用蒙特卡羅模型模擬了同步脈沖條件下ICP-CCP源脈沖參數對Ar/Cl2放電離子角向量分布的影響。得到在脈沖起輝初步階段,將出現高能離子能量分布尖峰,并且脈沖波形可以影響高能峰;大連理工王友年等人通過實驗與模擬手段對比了O2/Ar混合氣體在不同脈沖ICP功率條件下的電子溫度,發現電子溫度對脈沖功率不敏感,電子密度隨著功率增加而增加。采用Langmuir探針測試的ICP Ar等離子體脈沖條件下的等離子體參數,表明電子溫度在后輝光區可以降低至0.5eV, 當脈沖開啟時,電子溫度有一個突然增加的峰值出現。這是因為在脈沖off階段電子密度較低,殘留的電子耦合到功率后重新獲得了能量,以產生等離子體。對于等離子體電勢,在后輝光區也有明顯的降低,而離子通量相對電子通量變化速率較慢。

  調節脈沖頻率及占空比可以實現對等離子體化學成分的控制。有研究表明通過脈沖頻率和占空比調節可以控制等離子體成分。如Cl2 ICP放電,結果表明在低于1kHz脈沖頻率時, Cl2的密度受脈沖頻率影響較大,ICP源脈沖時,副產物解離率降低,Cl2密度在脈沖關閉后達到穩定狀態需要10ms量級的時間;而當脈沖頻率大于1kHz時,Cl2密度受脈沖頻率的影響不明顯。

  從以上研究可以看出,脈沖的施加從時間尺度上增加了對等離子體參數的控制手段。通過調節脈沖頻率和占空比,利用電子、離子和自由基對電場反應時間的差異,可以實現對等離子體物理及化學成分的控制。

對于脈沖ICP-CCP等離子體源,由于存在ICP源、CCP源放電機制的差異,二者在脈沖起輝條件下的功率耦合機制目前尚未有比較明確的報道。ICP源在起輝過程中存在E-H模式的轉換,在E-H模式轉換過程中,等離子體阻抗發生較大的變化,該變化是否是導致ICP-CCP源在脈沖條件下存在反射的影響因素需要探究。對于脈沖等離子體診斷,大多數文獻只考慮了放電氣體的等離子體參數測量,對在刻蝕過程中副產物對等離子體參數的測量仍然缺乏研究。目前常用的Langmuir探針等測量手段,介入等離子體后會對等離子體產生一定的擾動,測量結果有一定的不確定性。

  對于脈沖ICP等離子體還有若干問題需要研究。如ICP-CCP脈沖放電條件下的功率耦合機制、精確的電子溫度測量方法等。


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