半导体制程技术导论Chapter_7等离子体工艺.ppt

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1、1Chapter7等离子体的基础原理2目标列出至少三种使用等离子体的IC制程列出等离子体中重要的三种碰撞描述平均自由程解释等离子体在蚀刻和化学气相沉积制程的好处说出至少两种高密度等离子体系统3讨论的主题什么是等离子体?为什么使用等离子体?离子轰击等离子体制程的应用4等离子体制程的应用化学气相沉积蚀刻物理气相沉积离子注入光刻胶剥除制程反应室的的干式清洗5等离子体是什么?具有等量的正电荷和负电荷的离子气体更精确的定义:等离子体就是具有等量带电性与中性粒子的气体，等离子体本身就是这些例子的集体行为例如太陽,电弧等6等离子体的成分等离子体是由中性原子或分子、负电(电子)和正电(离子)

2、所构成准-中性:nine离化率:hne/(ne+nn)7离化率离化率主要受等离子体中的电子能量决定大部分等离子体制程反应室，等离子体的离化率小于0.001%.高密度等离子体源有较高的离化率,约1%太阳核心的离化率约~100%.8中性气体密度理想气体1摩尔=22.4升=2.24104cm31摩尔=6.621023个分子１大气压下的气体密度是2.961019cm3１托的气体密度是3.891016cm3１毫托的气体密度是3.891013cm3射频等离子体源有非常低的离化率9等离子体的产生需要借助外界的能量射頻(RF)电能是最常使用的电源产生一个稳定的射频等离子体

3、需要真空系统等离子体射频功率暗区或鞘层电极至真空泵平行板等离子体系统10离子化e-+AA++2e-游离碰撞产生电子和离子维持等离子体的稳定电子和中性原子或分子碰撞把轨道电子「敲离」核的束缚11离子化的说明自由电子入射撞击轨道电子两个自由电子轨道电子原子核原子核12激发－松弛e-+AA*+e-A*A+hn(光)不同的原子/分子有不同的频率,也就是为什么不同的气体会发出不同的颜色.侦测等离子体的发光变化来决定蚀刻和化学气相沉积反应室清洁步骤的终端点(endpoint)13激发碰撞入射撞击电子基态电子激态电子原子核原子核撞击电子14松弛基态hnhnh:普朗克常数n:光的频率激发

4、态15分解电子和分子碰撞，可以打断化学键并产生自由基:e-+ABA+B+e-自由基至少有一个未成对电子，化学上是容易起反应的.增加化学反应速率对蚀刻和化学气相沉积制程非常重要16分解ABe-Be-A分子自由基17等离子体蚀刻氧化物蚀刻制程，在等离子体中使用CF4产生氟(F)的自由基e-+CF4CF3+F+e-4F+SiO2SiF4+2O增进蚀刻制程的化学反应18等离子体增进化学气相沉积化学反应PECVD氧化物的制程用硅烷和N2O(笑气)e-+SiH4SiH2+2H+e-e-+N2ON2+O+e-SiH2+3OSiO2+H2O等离子体增进化学反应在相对低温下，PEC

5、VD可达高的沉积速率19问与答为何在铜和铝的溅镀制程中，分解碰撞并不重要?铝和铜的溅镀制程中仅使用惰性气体—氩气。和其他气体不同的是，惰性气体是以原子而非分子的形式存在，因此在氩气等离子体中并不会产生分解碰撞20问与答在PVD制程中有分解碰撞吗?有，在氮化钛(TiN)的沉积中，会用到氩气(Ar)和氮气(N2)。在等离子体中，氮气会被分解而产生自由基N，而自由基N又会和钛产生反应而在钛靶表面形成氮化钛，Ar+离子则会把氮化钛分子从钛靶表面溅射出来而使之沉积在晶圆表面21表7.1硅烷的分解22问与答表7.1中哪种碰撞最有可能发生?为什么?需要最少能量的碰撞便是最有可能发生的碰撞2

6、3平均自由程(MFP)粒子和粒子碰撞前能够移动的平均距离.n是粒子的密度s是粒子的碰撞截面24平均自由程说明大粒子小粒子大粒子小粒子(a)(b)25平均自由程(MFP)压力的影响压力越高,平均自由程越短压力越低,平均自由程越长26问与答为何需要用到一个真空反应室来产生稳定的等离子体?电子在大气压(760托)的状态下的平均自由程很短，电子很难去获取足够的能量使气体离子化.在一个极度强大的电场下，等离子体会形成弧光(arcing,像是闪电一样)的型态，而非稳定的辉光放电(glowdischarge)27带电粒子的移动电子质量远小于离子me<

7、具相同的电力F=qE电子有较高的加速度a=F/m28带电粒子的移动射频电场变化的非常快，电子可以快速的加速且开始碰撞，离子太重无法立即对交流的电场作出反应由于离子的碰撞截面较大所以有较多的碰撞，也因此减缓离子的运动速度在等离子体中电子移动的较离子快很多29热速度电子热速度v=(kTe/me)1/2射频等离子体,Te约2eVve5.93107cm/sec=1.33107mph30磁力和螺旋运动磁力作用在一个带电粒子上:F=qvB磁力总是垂直粒子的速度带电粒子沿着磁场线螺旋状旋绕.螺旋运动(Gyro