第07章等离子体工艺
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半导体制造技术导论（第二版）
第七章 等离子体工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介 • 等离子体基本概念 • 等离子体中的碰撞 • 等离子体参数 • 离子轰击 • 直流偏压 • 等离子体工艺优点 • 等离子体增强化学气相沉积及等离子体刻蚀反应器 • 遥控等离子体工艺 • 高密度等离子体工艺
子体反应室清洁过程中的光学终点
• CVD工艺中使用等离子体的主要优点
– 较低温度下获得高沉积速率 – 利用离子轰击控制沉积薄膜的应力 – 利用氟为主的等离子体对沉积反应室进行干式清洗 – 高密度等离子体源具有优良的间隙填充能力
31
PECVD中的等离子体
• 硅烷氧化物PECVD分解碰撞
e− + SiH4 e− + N2O
• 弹性碰撞
– 碰撞分子间没有能量交换
• 非弹性碰撞
– 离子化碰撞 – 激发—松弛碰撞 – 分解碰撞 – 其他碰撞：再复合、电荷交换、投掷角度散射、中性分子间碰撞
10
离子化碰撞
电子碰撞前后的离化碰撞 ������− + ������ ������+ + 2������−
11
激发—松弛碰撞
激发碰撞前后的示意图 ������− + ������ ������∗ + ������−
12
激发—松弛碰撞
松弛过程示意图 ������∗ ������ + ℎ������
13
分解碰撞
分解碰撞示意图 e− + AB A + B + e−
14
PECVD硅烷等离子体中的碰撞
碰撞 e− + SiH4
副产品
SiH2 + H2 + e− SiH3 + H + e− Si + 2H2 + e− SiH + H2 + H + e− SiH2∗ + 2H + e− Si∗ + 2H2 + e− SiH2+ + H2 + 2e− SiH3+ + H + 2e− Si+ + 2H2 + 2e− SiH+ + H2 + H + 2e−
间距、反应室气体
22
等离子体鞘层电位
等离子体鞘层电位
23
直流偏压
等离子体电位和直流偏压
等离子体电位和直流偏压
25
直流偏压和射频功率的关系
直流偏压和射频功率的关系 (a) 低射频功率，低直流偏压；(b) 高射频功率，高直流偏压
26
对称电极系统等离子体电位
具有对称电极的射频等离子体电位
27
非对称电极系统直流电位
SiH2 + 2H + e− N2 + O + e−
• 二氧化硅生成 SiH2 + 2O
– 电容耦合式等离子体源 – 半导体制造中最普遍的等离子体源
• 直流电位偏压热灯丝系统 • 直流(DC)等离子体源 • 感应耦合型等离子体源(ICP) • 电子回旋共振(ECR)等离子体源 • 微波(MW)遥控等离子体源
7
电容耦合式等离子体源
电容耦合式等离子体源示意图
8
等离子体中的碰撞
等离子体中的碰撞
2
简介
等离子体工艺的应用
• 刻蚀
– 等离子体刻蚀、干法刻蚀
• 电介质沉积
– 等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) – 高密度等离子体化学气相沉积 (HDP-CVD)
• 离子注入
– 等离子体源制造晶圆掺杂所需离子，并提供电子中和晶圆表面的正电荷
• 物理气相沉积 (PVD)
– 利用离子轰击金属靶表面，是金属溅镀沉积于晶圆表面
非对称电极射频系统直流电位
28
非对称电极系统等离子体电位
非对称电极系统等离子体电位
29
等离子体工艺优点
PECVD工艺的优点
• 等离子体对半导体技术的作用
– 离子轰击对溅镀沉积、刻蚀和CVD薄膜应力控制非常重要 – 电子离化分子产生的自由基将显著提高CVD和刻蚀工艺的化学反应速率 – 等离子体中受激发—松弛机制产生的辉光能够表明等离子体刻蚀和等离
• 遥控等离子体系统
– 清洁机台反应室、薄膜去除、薄膜沉积
4
等离子体基本概念
等离子体的成分
• 等离子体的成分
– 等离子体是具有等量正电荷和负电荷的离子气体 – 等离子体由中性原子或分子、负电子和正离子组成 – 电子浓度大约和离子浓度相等，即������������ = ������������
• 离化率
• 离子轰击
– 鞘层电位将离子加速向电极移动，造成离子轰击 – 是等离子体的重要特征，任何接近等离子体的材料都会受到离子轰击 – 影响刻蚀的速率、选择性和轮廓，影响沉积速率和沉积薄膜应力 – 离子的能量：取决于外部功率供给、反应室压力、电极间距、工艺过程
所用气体、射频等离子体系统的射频频率 – 离子的流量：取决于等离子体密度、外部功率供给、反应室压力、电极
– 电子浓度和所有气体浓度的比例
������ = ������������/ ������������ + ������������
– 离化率主要有电子能量决定，而电子能量则由施加的功率控制 – 离化率也与压力、电极间的距离、制造中使用的气体种类、等离子体反
应器设计有关
6
等离子体的产生
• 射频(RF)等离子体源
所需能量 2.2 eV 4.0 eV 4.2 eV 5.7 eV 8.9 eV 9.5 eV
11.9 eV 12.32 eV 13.6 eV 15.3 eV
15
等离子体参数
等离子体参数
• 平均自由程 (MFP)
– 粒子和粒子碰撞前能够移动的平均距离
11 ������ = 2������������ ∝ ������ • 热速度 ������ = ������������/������ 1/2
• 磁场中的带电粒子
– 带电粒子环绕磁力线螺旋转动频率Ω，螺旋转动半径������
������������ ٠= ������ ,
������ = ������⊥/Ω
• 波尔兹曼分布
– 热平衡等离子体中，电子和离子的能量服从波尔兹曼分布
17
平均自由程
(a) 具有较短平均自由程的高压情况；(b) 具有较长平均自由程的低压情况
18
磁场中的带电粒子
������������ ٠= ������ ,
���Fra Baidu bibliotek�� = ������⊥/Ω 带电粒子在磁场中的螺旋运动
19
玻尔兹曼分布
电子能量分布
20
离子轰击
离子轰击
• 鞘层电位
– 电子的移动速度比离子快得多，反应室壁和电极都会带负电 – 带负电的电极排斥电子而吸引离子，因此电极附近的离子比电子多 – 由正电荷和负电荷的差值在电极附近形成的电场称为鞘层电位
第七章 等离子体工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介 • 等离子体基本概念 • 等离子体中的碰撞 • 等离子体参数 • 离子轰击 • 直流偏压 • 等离子体工艺优点 • 等离子体增强化学气相沉积及等离子体刻蚀反应器 • 遥控等离子体工艺 • 高密度等离子体工艺
子体反应室清洁过程中的光学终点
• CVD工艺中使用等离子体的主要优点
– 较低温度下获得高沉积速率 – 利用离子轰击控制沉积薄膜的应力 – 利用氟为主的等离子体对沉积反应室进行干式清洗 – 高密度等离子体源具有优良的间隙填充能力
31
PECVD中的等离子体
• 硅烷氧化物PECVD分解碰撞
e− + SiH4 e− + N2O
• 弹性碰撞
– 碰撞分子间没有能量交换
• 非弹性碰撞
– 离子化碰撞 – 激发—松弛碰撞 – 分解碰撞 – 其他碰撞：再复合、电荷交换、投掷角度散射、中性分子间碰撞
10
离子化碰撞
电子碰撞前后的离化碰撞 ������− + ������ ������+ + 2������−
11
激发—松弛碰撞
激发碰撞前后的示意图 ������− + ������ ������∗ + ������−
12
激发—松弛碰撞
松弛过程示意图 ������∗ ������ + ℎ������
13
分解碰撞
分解碰撞示意图 e− + AB A + B + e−
14
PECVD硅烷等离子体中的碰撞
碰撞 e− + SiH4
副产品
SiH2 + H2 + e− SiH3 + H + e− Si + 2H2 + e− SiH + H2 + H + e− SiH2∗ + 2H + e− Si∗ + 2H2 + e− SiH2+ + H2 + 2e− SiH3+ + H + 2e− Si+ + 2H2 + 2e− SiH+ + H2 + H + 2e−
间距、反应室气体
22
等离子体鞘层电位
等离子体鞘层电位
23
直流偏压
等离子体电位和直流偏压
等离子体电位和直流偏压
25
直流偏压和射频功率的关系
直流偏压和射频功率的关系 (a) 低射频功率，低直流偏压；(b) 高射频功率，高直流偏压
26
对称电极系统等离子体电位
具有对称电极的射频等离子体电位
27
非对称电极系统直流电位
SiH2 + 2H + e− N2 + O + e−
• 二氧化硅生成 SiH2 + 2O
– 电容耦合式等离子体源 – 半导体制造中最普遍的等离子体源
• 直流电位偏压热灯丝系统 • 直流(DC)等离子体源 • 感应耦合型等离子体源(ICP) • 电子回旋共振(ECR)等离子体源 • 微波(MW)遥控等离子体源
7
电容耦合式等离子体源
电容耦合式等离子体源示意图
8
等离子体中的碰撞
等离子体中的碰撞
2
简介
等离子体工艺的应用
• 刻蚀
– 等离子体刻蚀、干法刻蚀
• 电介质沉积
– 等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) – 高密度等离子体化学气相沉积 (HDP-CVD)
• 离子注入
– 等离子体源制造晶圆掺杂所需离子，并提供电子中和晶圆表面的正电荷
• 物理气相沉积 (PVD)
– 利用离子轰击金属靶表面，是金属溅镀沉积于晶圆表面
非对称电极射频系统直流电位
28
非对称电极系统等离子体电位
非对称电极系统等离子体电位
29
等离子体工艺优点
PECVD工艺的优点
• 等离子体对半导体技术的作用
– 离子轰击对溅镀沉积、刻蚀和CVD薄膜应力控制非常重要 – 电子离化分子产生的自由基将显著提高CVD和刻蚀工艺的化学反应速率 – 等离子体中受激发—松弛机制产生的辉光能够表明等离子体刻蚀和等离
• 遥控等离子体系统
– 清洁机台反应室、薄膜去除、薄膜沉积
4
等离子体基本概念
等离子体的成分
• 等离子体的成分
– 等离子体是具有等量正电荷和负电荷的离子气体 – 等离子体由中性原子或分子、负电子和正离子组成 – 电子浓度大约和离子浓度相等，即������������ = ������������
• 离化率
• 离子轰击
– 鞘层电位将离子加速向电极移动，造成离子轰击 – 是等离子体的重要特征，任何接近等离子体的材料都会受到离子轰击 – 影响刻蚀的速率、选择性和轮廓，影响沉积速率和沉积薄膜应力 – 离子的能量：取决于外部功率供给、反应室压力、电极间距、工艺过程
所用气体、射频等离子体系统的射频频率 – 离子的流量：取决于等离子体密度、外部功率供给、反应室压力、电极
– 电子浓度和所有气体浓度的比例
������ = ������������/ ������������ + ������������
– 离化率主要有电子能量决定，而电子能量则由施加的功率控制 – 离化率也与压力、电极间的距离、制造中使用的气体种类、等离子体反
应器设计有关
6
等离子体的产生
• 射频(RF)等离子体源
所需能量 2.2 eV 4.0 eV 4.2 eV 5.7 eV 8.9 eV 9.5 eV
11.9 eV 12.32 eV 13.6 eV 15.3 eV
15
等离子体参数
等离子体参数
• 平均自由程 (MFP)
– 粒子和粒子碰撞前能够移动的平均距离
11 ������ = 2������������ ∝ ������ • 热速度 ������ = ������������/������ 1/2
• 磁场中的带电粒子
– 带电粒子环绕磁力线螺旋转动频率Ω，螺旋转动半径������
������������ ٠= ������ ,
������ = ������⊥/Ω
• 波尔兹曼分布
– 热平衡等离子体中，电子和离子的能量服从波尔兹曼分布
17
平均自由程
(a) 具有较短平均自由程的高压情况；(b) 具有较长平均自由程的低压情况
18
磁场中的带电粒子
������������ ٠= ������ ,
���Fra Baidu bibliotek�� = ������⊥/Ω 带电粒子在磁场中的螺旋运动
19
玻尔兹曼分布
电子能量分布
20
离子轰击
离子轰击
• 鞘层电位
– 电子的移动速度比离子快得多，反应室壁和电极都会带负电 – 带负电的电极排斥电子而吸引离子，因此电极附近的离子比电子多 – 由正电荷和负电荷的差值在电极附近形成的电场称为鞘层电位