双频容性耦合等离子体物理特性的研究*
王 友年
* 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
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
平面线圈感应耦合等离子体源
coil
wafer
RF biased electrode Insulating plate
• 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
500-3000 W • discharge pressure p ~30-300 mTorr
驻波效应：
在超高频情况下，电磁波的波长l可以与放电装置的反应腔 室（或电极半径）R相当，从而可以在等离子体腔室内部激 发一个径向传播的电磁波，即驻波，引起等离子体密度径向 不均匀性。这对芯片刻蚀的均匀性影响很大。
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
n 2Vrf
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。
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）美国的Lam（泛林）公司 2)美国Applied Materials公司 3)日本Tokyo Electron 4)中微(上海)半导体设备制造有限公司(AMEC )
DF-CCP sources
SCCM-TE (TEL)
▶ PR Selectivity : Heated top electrode
▶ VHF Dual-CCP : Very High Freq. 3.2cm, 30mT
▶ High E/R & PR Sel. :
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，
• 实验 (或工艺) 研究 • 计算机仿真模拟
二、几种有代表性的等离子体刻蚀源
1、平板式是射频容性耦合等离子体(CCP)源
抽气
进气
介质
plasma
电极
RF power 13.56MHz
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 plasma 3.结构简单，造价低 .
Exelan-CFE (Lam)
Enalber (AMT)
D92 SAC Etcher
~ 60MHz
~
▶ Dual-CCP 4.5cm, 30mT
▶ Uniformity : - Dual cathodeFra bibliotek2MHz
D92 SiN mask Etcher
-
~
162MHz
~ 13.56MHz
▶ Narrow Dual-CCP : 2.0cm, 40mT
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
• 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
0
R
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。
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？
Typical operating conditions for dielectric etching on 200-300 mm silicon wafers are:
4、双频电容耦合等离子体（DF-CCP)源
Upper electrode
Plasma
lower electrode
LF source
HF source
DF-CCP 源
（2000年---）
1）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。
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
微结构
微齿轮
等离子体刻蚀工艺的趋势
集成电路发展趋势:
•加工晶圆的面积更大 •特征尺寸越来越小 •集成度越来越高
• discharge radius: R~15-25 cm • plate separation l~1-5cm • high frequency fh ~27.1-160 MHz • low frequency fl ~ 2-13.6 MHz • high-frequency voltage amplitude |Vh| ~250-1000 V • low-frequency voltage amplitude |Vl| ~500-3000 V • powers for both low- and high-frequency sources:
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 )
•提高各向异性刻蚀
•等离子体密度高(1011 cm-3~1012cm-3)
•提高离子流密度 •提高刻蚀率
•产生等离子体的射 频源与基片台射频源 独立控制
•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。