半导体制程概论07

HongXiao,Ph.D.電漿的基礎原理HongXiao,[e-mail]目標•列出至少三種使用電漿的IC製程•列出電漿中重要的三種碰撞•描述平均自由徑•解釋電漿在蝕刻和化學氣相沉積製程的好處•說出至少兩種高密度電漿系統HongXiao,Ph.D.討論的主題•什麼是電漿?•為什麼使用電漿?•離子轟擊•電漿製程的應用HongXiao,Ph.D.電漿製程的應用•化學氣相沉積•蝕刻•物理氣相沉積•離子佈植•光阻剝除•製程反應室的的乾式清洗HongXiao,Ph.D.電漿是什麼?•具有等量的正電荷和負電荷的離子氣體•更精確的定義:電漿就是有著帶電與中性粒子之準中性的氣體，電漿本身就是這些例子的集體行為•例如–太陽,焰火,氖光,等HongXiao,Ph.D.電漿的成分電漿是由中性原子或分子、負電(電子)和正電(離子)所構成準-中性:nine游離率:hne/(ne+nn)HongXiao,Ph.D.游離率游離率主要受電漿中的電子能量決定大部分電漿製程反應室，電漿的游離率小於0.001%.高密度電漿(HDP)源的有較高的游離率,約1%太陽核心的游離率約~100%.HongXiao,Ph.D.中性氣體密度•理想氣體–1摩爾=22.4升=2.24104cm3–1摩爾=6.621023個分子•１大氣壓下的氣體密度是2.961019cm3•１托的氣體密度是3.891016cm3•１毫托的氣體密度是3.891013cm3•射頻電漿原有非常低的游離率HongXiao,Ph.D.平行板電漿系統電漿射頻功率暗區或鞘層電極至真空幫浦HongXiao,Ph.D.電漿的產生•需要借助外界的能量•射頻(RF)電能是最常使用的電源•產生一個穩定的射頻電漿需要真空系統HongXiao,Ph.D.離子化e-+AA++2e-游離碰撞產生電子和離子維持電漿的穩定•電子和中性原子或分子碰撞•把軌道電子「敲離」核的束縛HongXiao,Ph.D.離子化的說明自由電子入射撞擊軌道電子兩個自由電子軌道電子原子核原子核HongXiao,Ph.D.激發－鬆弛e-+AA*+e-A*A+hn(光)不同的原子/分子有不同的頻率,也就是為什麼不同的氣體會發出不同的顏色.偵測電漿的發光變化來決定蝕刻和化學氣相沉積反應室清潔步驟的終端點(endpoint)HongXiao,Ph.D.激發碰撞入射撞擊電子基態電子激態電子原子核原子核撞擊電子HongXiao,Ph.D.鬆弛基態hnhnh:蒲朗克常數n:光的頻率激態HongXiao,Ph.D.分解•電子和分子碰撞，可以打斷化學鍵並產生自由基:e-+ABA+B+e-•自由基至少有一個未成對電子，化學上是容易起反應的.•增加化學反應速率•對蝕刻和化學氣相沉積製程非常重要HongXiao,Ph.D.分解ABe-Be-A分子自由基HongXiao,Ph.D.電漿蝕刻•氧化物蝕刻製程，在電漿中使用CF4產生氟(F)的自由基e+CF4CF3+F+e4F+SiO2SiF4+2O•增進蝕刻製程的化學反應HongXiao,Ph.D.電漿增進化學氣相沉積化學反應•PECVD氧化物的製程用矽烷和NO2(笑氣)e+SiH4SiH2+2H+ee+N2ON2+O+eSiH2+3OSiO2+H2O•電漿增進化學反應•在相對低溫下，PECVD可達高的沉積速率HongXiao,Ph.D.問與答•為何在銅和鋁的濺鍍製程中，分解碰撞並不重要?•鋁和銅的濺鍍製程中僅使用惰性氣體—氬氣。和其他氣體不同的是，惰性氣體是以原子而非分子的形式存在，因此在氬氣電漿中並不會產生分解碰撞HongXiao,Ph.D.問與答•在PVD製程中有分解碰撞嗎?•有，在氮化鈦(TiN)的沉積中，會用到氬氣(Ar)和氮氣(N2)。在電漿中，氮氣會被分解而產生自由基N，而自由基N又會和鈦產生反應而在鈦靶表面形成氮化鈦，Ar+離子則會把氮化鈦分子從鈦靶表面濺射出來而使之沉積在晶圓表面HongXiao,Ph.D.表7.1矽烷的分解碰撞副產品形成所需的能量e-+SiH4SiH2+H2+e-2.2eVSiH3+H+e-4.0eVSi+2H2+e-4.2eVSiH+H2+H+e-5.7eVSiH2*+2H+e-8.9eVSi*+2H2+e-9.5eVSiH2++H2+2e-11.9eVSiH3++H+2e-12.32eVSi++2H2+2e-13.6eVSiH++H2+H+2e-15.3eVHongXiao,Ph.D.問與答•表7.1中哪種碰撞最有可能發生?為什麼?•需要最少能量的碰撞便是最有可能發生的碰撞HongXiao,Ph.D.平均自由路徑(MFP)粒子和粒子碰撞前能夠移動的平均距離.1nN是粒子的密度是粒子的碰撞截面HongXiao,Ph.D.平均自由路徑說明大粒子小粒子大粒子小粒子(a)(b)HongXiao,Ph.D.平均自由路徑(MFP)壓力的影響壓力越高,平均自由路徑越短壓力越低,平均自由路徑越長1pHongXiao,Ph.D.問與答•為何需要用到一個真空反應室來產生穩定的電漿?•電子在大氣壓(760托)的狀態下的平均自由路徑很短，電子很難去獲取足夠的能量使氣體離子化.•在一個極度強大的電場下，電漿會形成弧光(arcing,像是閃電一樣)的型態，而非穩定的輝光放電(glowdischarge)HongXiao,Ph.D.帶電粒子的移動電子質量遠小於離子memime:mH=1:1836電子和離子具相同的電力F=qE電子有較高的加速度a=F/mHongXiao,Ph.D.帶電粒子的移動射頻電場變化的非常快，電子可以快速的加速且開始碰撞，離子太重無法立即對交流的電場作出反應由於離子的碰撞截面較大所以有較多的碰撞，也因此減緩離子的運動速度在電漿中電子移動的較離子快很多HongXiao,Ph.D.熱速度電子熱速度v=(kTe/me)1/2射頻電漿,Te約2eVve5.93107cm/sec=1.33107mphHongXiao,Ph.D.磁力和螺旋運動磁力作用在一個帶電粒子上:F=qvB磁力總是垂直粒子的速度帶電粒子沿著磁場線螺旋狀旋繞.螺旋運動(Gyro-motion)HongXiao,Ph.D.螺旋運動帶電粒子軌跡磁力線HongXiao,Ph.D.螺旋轉動頻率•磁場中的帶電粒子作螺旋運動環繞磁場線的頻率mqBHongXiao,Ph.D.螺旋轉動半徑•在磁場中帶電粒子的迴旋半徑,r,可以下式表示:r=v/HongXiao,Ph.D.能量,Ef(E)2-3eV具有足夠離子化能量的電子波茲曼分佈HongXiao,Ph.D.離子轟擊當電漿製程開始後，任何接近電漿的東西都會產生離子轟擊對於濺鍍、蝕刻和電漿增強式化學氣相沉積非常重要主要受射頻功率供給影響壓力也會影響轟擊HongXiao,Ph.D.離子轟擊電子移動比離子快很多電子首先到達電極和反應室牆邊電極帶負電，排斥電子，吸引離子.鞘極(sheath)電位差會加速離子朝向電極移動，並造成離子轟擊.離子轟擊對濺鍍、蝕刻和電漿增強式化學氣相沉積非常重要.HongXiao,Ph.D.鞘層電位+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-++++-+-+-+-++++-+-+-++++++-+-++++++-+++++++++++鞘層區VpVfx暗區巨體電漿鞘層電位電極HongXiao,Ph.D.離子轟擊的應用幫助如何到達非等向性蝕刻輪廓損傷機制阻絕機制氬濺鍍縫補縫隙的介電質蝕刻金屬沉積幫助控制PECVD製程中薄膜的應力較重的離子轟擊，薄膜受到的壓應力越大HongXiao,Ph.D.直流偏壓和射頻功率的關係時間電壓(伏特)直流偏壓射頻電位電漿電位Hon