双频容性耦合等离子体刻蚀工艺的物理基础

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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0R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plasmaRFpo

3、wer13.56MHz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plasma3.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

4、CCP源，很难实现对等离子体密度（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RFbiasedelectrodewafercoilInsulatingplate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(1011cm-3~1012cm-3)产生等离子体的射频源与

5、基片台射频源独立控制提高各向异性刻蚀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UpperelectrodeLFsourceHFsourcePlasmalowerelectrode1）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

6、国的Lam（泛林）公司2)美国AppliedMaterials公司3)日本TokyoElectron4)中微(上海)半导体设备制造有限公司(AMEC)DF-CCPsourcesSCCM-TE(TEL)Exelan-CFE(Lam)Enalber(AMT)D92SACEtcherD92SiNmaskEtcher-▶Dual-CCP4.5cm,30mT▶Uniformity:-Dualcathode▶NarrowDual-CCP:2.0cm,40mT▶PRSelectivity:Heatedtopelectrode▶VHFDual-CCP:V

7、eryHighFreq.3.2cm,30mT▶HighE/R&PRSel.:~~60MHz2MHz~13.56MHz~162MHz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？Typicaloperatingconditionsfordielectricetchingon200-300

8、mmsiliconwafersare:dischargeradius:R~15-25cmplateseparationl~1-5cmhighfrequencyfh~27.1-160MHz