Feed Gases
BCl3/Cl2 HBr/Cl2
Comments
Cl etches Si, B improves passivation HBr provides passiviation and selectivity to PR, Cl2 providdes main etchants O2 improves selectivity to SiO2 Higher etch rate, good oxide selectivity, isotropic High etch rate, but isotropic Good profile control for deep trench
--- Process Time
工艺控制和结果
工艺可控变量 Plasma 参数 结果
Temperature Gas Flows
Gas density Residence time
Etch Rate Uniformity Selectivity
Pressure
Power Time (Magnetic Field) BSC He (Gap)
Bias 功率的作用: 离子能量
功率 --> 控制离子浓度/能量。提高 Bias 功率，提高腐蚀速率。
Bias 低离子能量
--> 低的碰撞速度。
离子能量影响方向性
--> 高离子能量意 味着离子更少偏离原来运动方向。
问答
Q&A
HBr/Cl2/O2 SF6 NF3 HBr/NF3/O2
Metal Etch平衡图
物理
离子轰击
BCl3+
化学腐蚀
Cl*
化学淀积
BCl3(+PR)
Bias/TCP 功率 压力 (磁场)
化学 腐蚀
气体 Wafer温度
淀积
Metal Etch各气体作用
Material
Aluminum or Aluminum Alloy
等离子刻蚀工艺原理介绍
Etch/CSMC 2011.10.14
概述
等离子刻蚀工艺原理介绍包含以下几个方面：
• 等离子体基本概念 • 等离子刻蚀基本原理
• 等离子刻蚀应用
什么是Plasma
• Plasma就是等离子体(台湾一般称为电浆), 由气体电 离后产生的正负带电离子以及分子, 原子和原子团组 成. 只有强电场作用下雪崩电离发生时, Plasma才会产 生.
电容耦合
plasma rf electric field
wafer
电感耦合
RF current in coil
RF magnetic field ionizing E-field (induced)
电容/电感耦合
P source/TCP inductive source defines density
time
0 “dc bias” (average wafer potential)
Plasma刻蚀中的功率耦合
• 电容耦合: RF功率通过RF电场直接传导到Plasma，涉 及到的电极也直接暴露在Plasma中(但是一般有Wafer 在基座/电极上). • 电感/变压器耦合: RF功率通过RF磁场传导到Plasma, 该磁场诱导产生起电离作用的电场. • 电容耦合对产生电离作用不是很有效，因为它的很 大一部分能量用于向电极表面运动的离子加速. •电感耦合对Plasma的产生很有效，因为它的能量几乎 全部用于离化. 但是电感耦合点燃Plasma不是很有效. •在MERIE中，外加磁场也用于提高Plasma的浓度.
Feed Gases
BCl3/Cl2 N2/CHF3
Comments
Cl etches Al, B improves passivation Improve profile control, sidewall passiviation, CHF3 for<0.25um technology Remove Si, Cu and TiN residue W etchant
ETCHING
DC BIAS
POLYMERIZATION
O2 ADDITION
H2 Addition 1 2 3 4
气体内F/C比率，腐蚀粒子与DC Bias 大小决定了工艺的聚合和腐蚀
压力作用: 驻留时间
• 驻留时间 = pV/Q • 高流量和低压力 –低驻留时间, 反应被吸附 的时间也短。 • 需要较高的泵速, S = Q/p, 达到较短的驻留时 间。
各向异性腐蚀工艺的两大机理
能量，方向性的离子提供各向异性腐蚀, 它有两种不同的模 式: 损伤机理和屏蔽机理. 损伤机理 屏蔽机理
微负载ห้องสมุดไป่ตู้应机理
为了保证Open和Dense区相同的Etch Rate， 维持工艺Open和 Dense区相同的腐蚀剂和生存物通量是非常重要的。 该工艺工作在腐蚀气体耗尽还是饱和区域? 反应副产物在小尺寸区域逃离速度是否与大尺寸区域一致?
Ion density
DC bias Free radicals Ion energy and directionality
Profile
Loading Effects Particulates Residue
Damage
化学性腐蚀工艺的六个步骤
Plasma flowing gas
• 半导体工艺Plasma一般都是部分电离, 常规 0.01%~10% 的原子/分子电离.
各向异性刻蚀中的圆片偏压
• 半导体圆片不一定是电 导体(因为表面可能淀积 一层SiO2或SiN膜), 直流 偏压不能工作, 因为 Plasma很快补偿了绝缘体 上的偏压.
-------+ + + + + + --------

离子在小尺寸和大尺寸区域Sidewall上散射不同，对Profile微负载 效应造成较大影响。

Polymer在小尺寸和大尺寸区域形成速度不同，也对微负载效应造 成较大贡献。

Etch的方向性
• Etch的方向由方向性的离子决定。
• Plasma与电极（阴极）之间的电压差控制离子的能量和方向性。
• 对离子的能量和方向性起关键作业的两个参数是功率和压力。
Poly Etch平衡图
物理
离子轰击
HBr+
化学腐蚀
Cl*
化学淀积
SiBr/HBr(+PR)
Bias/TCP 功率 压力 (磁场)
化学 腐蚀
气体 Wafer温度
淀积
Poly Etch各气体作用
Material
Polysilicon or Single Crystal Si
p
圆片偏压的产生-2
v2
V1
v1 +1 (kV) 0 -1 fast electrons decay voltage rapidly
time
V2
(kV)
+1 0 -1 heavy ions decay voltage slowly
plasma potential time wafer voltage
Ar SF6
SIO2 Etch平衡图
物理
离子轰击
Ar+
化学腐蚀
F*
化学淀积
-CF2-(+PR)
RF 功率 压力 (磁场)
化学 腐蚀
气体 Wafer温度
淀积
SIO2/SiN Etch各气体作用
Material
SiO2 or SiN
Feed Gases
CHF3/CF4
Comments
Standard etch gas, CF4 etchant, CHF3 give more polymer, improve sel to Si Increase Sel SiN to SiO2
1
2 3
Generation of etchant species
Diffusion to surface
Adsorption
6
Diffusion into bulk gas
5
Film
Desorption
4
Reaction
STEP 1. 活性粒子由电子和分子的碰撞产生 STEP 2. 活性粒子扩散到反应膜层附近 STEP 3. 活性粒子被表面吸附 STEP 4. 反应发生 STEP 5. 反应生成物能解吸附 STEP 6. 反应生成物扩散到气体当中被泵抽走
CH3F/O2
Ar SF6/O2 C4F8/CO
Bombardment SiN etchant, isotropic, O2 improve sel to SiO2 Increase Sel SiO2 to SiN
F/C比率和Polymer的形成
聚合和腐蚀的条件
CH3F CHF3 C4F8
C2F 4 C 4F10 C 2F6 CF 4
wafer
capacitive rf bias gives ions directed energy
P bias
Plasma刻蚀的复杂性
• Plasma Etch是多变量的工艺
--- Bias/TCP(Source)功率
--- Pressure --- Gas Flow --- Temperature --- BSC He --- (Gap) --- (B-Field)
+
•射频功率通过隔直电容加到圆片背面，这样隔离直流 而能通过射频，使圆片和基座充电为负偏压状态(平均).
圆片偏压的产生-1
• 非对称的腔体中，圆片面积<<腔体面积， 所以较高 的鞘层/暗区(Sheath/Dark Space)电压出现在Plasma到 圆片之间。