Chapter 7 電 漿 的 基 礎 原 理 1
目 標 列 出 至 少 三 種 用 到 電 漿 的 半 導 體 製 程 列 出 電 漿 中 的 主 要 三 種 碰 撞 說 明 平 均 自 由 路 徑 說 明 電 漿 如 何 增 強 蝕 刻 及 CVD 製 程 列 出 兩 種 高 密 度 電 漿 源 2
電 漿 的 應 用 CVD 蝕 刻 PVD 離 子 佈 植 光 阻 剝 除 製 程 反 應 室 的 乾 式 清 洗 3
探 討 主 題 什 麼 是 電 漿? 為 什 麼 要 用 電 漿? 離 子 轟 擊 電 漿 製 程 的 應 用 4
什 麼 是 電 漿? 電 漿 是 具 有 等 量 正 電 荷 和 負 電 荷 的 離 子 氣 體 更 精 確 的 定 義 : 電 漿 是 有 著 帶 電 與 中 性 粒 子 之 準 中 性 氣 體, 電 漿 是 這 些 粒 子 的 集 體 行 為 例 如 : 太 陽 火 焰 霓 虹 燈 等 5
電 漿 的 成 份 電 漿 包 含 : 中 性 原 子 或 分 子 負 電 荷 ( 電 子 ) 及 正 電 荷 ( 離 子 ) 準 中 性 : n i = n e ( 濃 度 ) 游 離 率 : η = n e /(n e n n ) n e : 電 子 濃 度,n i : 離 子 濃 度 n n : 中 性 原 子 或 分 子 濃 度 6
游 離 率 游 離 率 主 要 決 定 於 電 漿 中 的 電 子 能 量 大 多 數 電 漿 反 應 室 游 離 率 均 低 於 0.01% 高 密 度 電 漿 (High density plasma,hdp) 的 游 離 率 約 1 5% 太 陽 中 心 處 的 游 離 率 ~100% 7
平 行 板 電 極 ( 電 容 耦 合 型 ) 電 漿 系 統 射 頻 功 率 電 極 電 漿 暗 區 或 鞘 層 到 真 空 幫 浦 8
電 漿 的 產 生 外 加 功 率 射 頻 (Radio frequency, RF) 功 率 是 最 普 遍 的 功 率 來 源 需 真 空 以 產 生 穩 定 的 電 漿 9
電 漿 中 的 碰 撞 離 子 化 激 發 鬆 弛 分 解 10
離 子 化 電 子 與 中 性 原 子 或 分 子 碰 撞 撞 擊 出 軌 道 電 子 e - A A 2 e - 離 子 化 碰 撞 產 生 電 子 和 離 子 維 持 穩 定 的 電 漿 11
離 子 化 碰 撞 示 意 圖 原 子 核 原 子 核 入 射 自 由 電 子 軌 道 電 子 自 由 電 子 12
激 發 鬆 弛 e - A A* e - A* A hν ( 光 子 ) 不 同 的 原 子 或 分 子 有 不 同 的 發 光 頻 率, 這 就 是 為 什 麼 不 同 的 氣 體 在 電 漿 中 會 有 不 同 的 顏 色 發 光 顏 色 的 變 化 用 來 做 為 蝕 刻 和 反 應 室 清 潔 步 的 終 點 偵 測 13
激 發 碰 撞 基 態 電 子 激 發 態 電 子 撞 擊 電 子 入 射 撞 擊 電 子 原 子 核 原 子 核 14
鬆 弛 h: 蒲 朗 克 常 數 hν ν: 光 子 頻 率 激 發 態 hν 基 態 15
分 解 電 子 撞 擊 分 子, 打 斷 化 學 鍵 產 生 自 由 基 e - AB A B e - 自 由 基 至 少 帶 有 一 個 不 成 對 電 子, 化 學 性 很 活 潑 增 進 化 學 反 應 速 率 對 蝕 刻 和 CVD 很 重 要 16
分 解 e - A B 分 子 自 由 基 A B e - 17
電 漿 蝕 刻 ( 分 解 ) 在 電 漿 中 用 CF 4 產 生 氟 自 由 基 (F) 做 氧 化 物 蝕 刻 e CF 4 CF 3 F e 4F SiO 2 增 強 蝕 刻 化 學 反 應 SiF 4 2O 18
電 漿 增 強 CVD ( 分 解 ) PECVD 用 SiH 4 和 N 2 O ( 笑 氣 ) e SiH 4 SiH 2 2H e e N 2 O N 2 O e SiH 2 3O SiO 2 H 2 O 電 漿 增 強 化 學 反 應 PECVD 在 相 對 較 低 的 溫 度 下 得 到 高 的 沉 積 速 率 19
電 漿 的 參 數 平 均 自 由 路 徑 熱 速 度 磁 場 波 茲 曼 分 佈 20
平 均 自 由 路 徑 (Mean Free Path, MFP) 粒 子 與 粒 子 碰 撞 前 能 夠 移 動 的 平 均 距 離 λ = 1 2nσ n : 粒 子 密 度 σ: 粒 子 碰 撞 截 面 21
MFP 示 意 圖 大 粒 子 大 粒 子 小 粒 子 小 粒 子 (a) 高 壓 (b) 低 壓 22
平 均 自 由 路 徑 (MFP) 壓 力 的 影 響 : λ 1 p 壓 力 越 高, MFP 越 短 壓 力 越 低, MFP 越 長 23
Q & A 為 什 麼 需 要 真 空 反 應 室 來 產 生 穩 定 的 電 漿? 在 大 氣 壓 力 下 (760 Torr), 電 子 的 MFP 很 短, 很 難 獲 得 足 夠 的 能 量 來 使 氣 體 分 子 離 子 化 24
帶 電 粒 子 的 移 動 電 子 遠 比 離 子 為 輕 m e << m i m e :m Hydrogen =1:1836 作 用 在 電 子 和 離 子 的 電 力 是 相 同 的 F = qe 電 子 的 加 速 度 遠 大 於 離 子 的 加 速 度 a = F/m 25
帶 電 粒 子 的 移 動 RF 電 場 快 速 變 換, 電 子 能 快 速 地 加 速, 而 離 子 反 應 很 慢 離 子 截 面 積 較 大, 加 速 過 程 碰 撞 機 會 較 多, 更 使 速 度 減 慢 電 漿 中 電 子 的 移 動 比 離 子 快 得 多 26
熱 速 度 (Thermal Velocity) 電 子 熱 速 度 v = (kt e / m e ) 1/2 RF 電 漿, T e 大 約 2 ev v e 5.93 10 7 cm/sec = 1.33 10 7 mph 27
磁 場 與 螺 旋 運 動 帶 電 粒 子 所 受 磁 力 : F = qv B 磁 力 與 粒 子 速 度 方 向 垂 直 帶 電 粒 子 會 沿 磁 力 線 成 螺 旋 狀 旋 繞 螺 旋 運 動 (Gyro-motion) 28
螺 旋 運 動 磁 力 線 帶 電 粒 子 軌 跡 29
螺 旋 轉 動 頻 率 帶 電 粒 子 環 繞 磁 力 線 的 頻 率 Ω = qb m 30
螺 旋 轉 動 半 徑 帶 電 粒 子 做 螺 旋 運 動 的 迴 旋 半 徑 ρ = v /Ω v 是 與 磁 力 線 垂 直 的 粒 子 速 度 分 量 31
電 子 能 量 分 佈, 波 茲 曼 分 佈 f(e) 具 有 足 夠 離 子 化 能 量 的 電 子 2-3 ev 能 量, E 溫 度 :200-400 C 32
離 子 轟 擊 電 子 先 到 達 電 極 和 反 應 室 壁 電 極 帶 負 電 荷, 排 斥 帶 負 電 的 電 子, 吸 引 帶 正 電 的 離 子 鞘 層 電 位 加 速 離 子 朝 向 電 極 移 動, 造 成 離 子 轟 擊 33
離 子 轟 擊 任 何 接 近 電 漿 的 東 西 會 受 到 離 子 轟 擊 對 濺 鍍, 蝕 刻 和 PECVD 很 重 要 34
鞘 層 電 位 (Sheath Potential) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - x - - - 電 極 巨 體 電 漿 鞘 層 區 V p 鞘 層 電 位 暗 區 V f 35
離 子 轟 擊 的 參 數 離 子 的 能 量 離 子 的 流 通 量 (flux) 均 可 由 射 頻 功 率 控 制 36
直 流 偏 壓 電 漿 電 位 高 於 附 近 東 西 電 漿 電 位 高 於 射 頻 電 位 和 接 地 電 位 37
電 漿 電 位 和 直 流 偏 壓 電 漿 電 位 Volt 直 流 偏 壓 時 間 射 頻 電 位 38
直 流 偏 壓 與 RF 功 率 電 漿 電 位 電 漿 電 位 0 直 流 偏 壓 時 間 直 流 偏 壓 0 時 間 射 頻 電 位 低 RF 功 率 小 直 流 偏 壓 高 RF 功 率 大 直 流 偏 壓 39
離 子 轟 擊 的 控 制 增 加 射 頻 功 率, 則 電 漿 電 位 增 加, 直 流 偏 壓 也 增 加 離 子 密 度 與 離 子 轟 擊 能 量 均 可 由 射 頻 功 率 控 制 射 頻 功 率 是 控 制 離 子 轟 擊 最 主 要 的 樞 紐 商 業 用 途 之 射 頻 是 13.56MHz 40
射 頻 電 漿 反 應 室 之 電 漿 電 位 ( 對 稱 電 極 ) 射 頻 熱 電 極 V p = 10 20 V 接 地 電 極 暗 區 或 鞘 層 區 域 41
射 頻 電 漿 反 應 室 之 直 流 電 位 ( 非 對 稱 電 極 ) 電 漿 電 位 0 時 間 直 流 偏 壓 自 我 偏 壓 射 頻 電 位 42
蝕 刻 反 應 室 之 直 流 偏 壓 ( 非 對 稱 電 極 ) 射 頻 熱 電 極 接 地 電 極 電 漿 電 位 V 2 A 1 A 2 直 流 偏 壓 V 1 自 我 偏 壓 (V 1 -V 2 ) V 1 /V 2 =(A 2 /A 1 ) 4 43
離 子 轟 擊 與 極 板 面 積 大 小 由 於 自 我 偏 壓, 較 小 電 極 上 有 較 多 離 子 轟 擊 蝕 刻 反 應 室 將 晶 圓 置 於 較 小 電 極 上 44
電 漿 製 程 的 優 點 電 漿 製 程 在 IC 製 造 的 應 用 : PECVD( 電 漿 增 強 CVD) CVD 反 應 室 淨 化 電 漿 蝕 刻 濺 鍍 沉 積 離 子 佈 植 45
在 CVD 製 程 中 使 用 電 漿 的 優 點 在 較 低 溫 度 達 到 高 沉 積 速 率 可 利 用 離 子 轟 擊 控 制 沉 積 薄 膜 的 應 力 反 應 室 乾 式 清 洗 46
PECVD 和 LPCVD 的 比 較 製 程 LPCVD (150 mm) PECVD (150 mm) 化 學 反 應 SiH 4 O 2 SiO 2 SiH 4 N 2 O SiO 2 製 程 參 數 p =3 Torr, T=400 C p=3 Torr, T=400 C and RF=180 W 沉 積 速 率 100 to 200 Å/min 8000 Å/min 製 程 系 統 批 量 系 統 單 一 晶 圓 晶 圓 與 晶 圓 間 均 勻 性 難 控 制 較 易 控 制 47
用 HDP-CVD 做 間 隙 填 充 同 時 進 行 沉 積 及 濺 射 蝕 刻 不 斷 削 除 角 落 的 懸 突 沉 積, 以 保 持 間 隙 傾 斜 地 打 開 由 底 部 成 長 而 上 填 滿 間 隙 48
HDP CVD 無 空 洞 間 隙 填 充 0.25 μm 寬, 深 寬 比 4:1 49
在 蝕 刻 製 程 中 使 用 電 漿 的 優 點 高 蝕 刻 速 率 非 等 向 性 蝕 刻 輪 廓 光 學 蝕 刻 終 端 點 偵 測 減 少 化 學 藥 品 使 用 及 處 理 費 用 50
PECVD 及 電 漿 蝕 刻 反 應 器 CVD: 添 加 材 料 到 晶 圓 表 面 自 由 基 可 使 用 離 子 轟 擊 控 制 薄 膜 應 力 蝕 刻 : 從 晶 圓 表 面 移 除 表 面 自 由 基 劇 烈 的 離 子 轟 擊 低 壓, 較 佳 的 離 子 方 向 性 51
PECVD 反 應 室 壓 力 為 1-10 Torr 離 子 轟 擊 控 制 薄 膜 應 力 晶 圓 置 於 接 地 電 極 射 頻 熱 電 極 與 接 地 電 極 板 面 積 相 當 自 我 偏 壓 不 大 離 子 轟 擊 能 量 約 10 到 20 ev, 主 要 由 射 頻 功 率 決 定 52
PECVD 反 應 室 示 意 圖 製 程 氣 體 RF 夾 盤 電 漿 晶 圓 至 真 空 幫 浦 53
離 子 轟 擊 打 斷 化 學 鍵 電 漿 蝕 刻 反 應 室 晶 圓 置 於 小 電 極 板 自 我 偏 壓 大 離 子 轟 擊 能 量 在 晶 圓 上 (RF 熱 電 極 ): 200 to 1000 ev 反 應 室 蓋 ( 接 地 電 極 ): 10 to 20 ev 54
電 漿 蝕 刻 反 應 室 重 度 離 子 轟 擊 產 生 大 量 的 熱 量 需 控 制 溫 度 以 保 護 光 阻 遮 蔽 層 水 冷 式 晶 圓 平 台 晶 圓 背 面 需 氦 氣 冷 卻 機 械 夾 環 或 靜 電 夾 盤 (E-chuck) 固 定 晶 圓 55
電 漿 蝕 刻 反 應 室 蝕 刻 需 低 壓 (< 100 mtorr) 較 長 的 MFP, 較 多 的 離 子 能 量 及 較 少 的 散 射 碰 撞 機 會 少 加 入 磁 場 使 電 子 作 螺 旋 運 動, 使 電 子 行 走 較 長 距 離, 增 加 游 離 碰 撞 機 率 56
電 漿 蝕 刻 反 應 室 示 意 圖 製 程 氣 體 反 應 室 晶 圓 電 漿 磁 場 線 圈 副 產 物 被 真 空 幫 浦 抽 走 夾 盤 射 頻 功 率 晶 圓 背 端 冷 卻 用 氦 氣 57
遠 距 電 漿 製 程 需 要 自 由 基 增 強 化 學 反 應 不 要 離 子 轟 擊 避 免 電 漿 誘 生 損 傷 遠 距 電 漿 系 統 58
遠 距 電 漿 系 統 微 波 或 射 頻 功 率 遠 端 電 漿 產 生 室 製 程 氣 體 電 漿 製 程 反 應 室 自 由 基 副 產 物 被 真 空 幫 浦 抽 走 加 熱 板 59
遠 距 電 漿 之 應 用 光 阻 剝 除 遠 距 電 漿 蝕 刻 遠 距 電 漿 清 潔 遠 距 電 漿 CVD 60
光 阻 剝 除 蝕 刻 後 移 除 光 阻 利 用 O 2 和 H 2 O 能 整 合 到 蝕 刻 系 統 中 臨 場 蝕 刻 / 光 阻 剝 除 增 加 產 量 與 良 率 61
光 阻 剝 除 系 統 微 波 遠 端 電 漿 產 生 室 H 2 O, O 2 電 漿 反 應 室 表 面 有 光 阻 的 晶 圓 O H O O H O H O H 2 O, CO 2, 至 真 空 幫 浦 加 熱 板 62
遠 距 電 漿 蝕 刻 應 用 : 等 向 性 蝕 刻 製 程 LOCOS 或 STI 製 程 中 氮 化 物 剝 除 酒 杯 狀 接 觸 窗 孔 63
遠 距 電 漿 清 潔 沉 積 物 不 祇 在 晶 圓 表 面, 也 在 反 應 室 壁 上 CVD 反 應 室 須 定 期 清 潔 避 免 因 沉 積 物 掉 落 造 成 微 粒 污 染 電 漿 清 潔 通 常 用 碳 氟 氣 體 ( 造 成 溫 室 效 應 ) 遠 距 電 漿 清 潔 用 NF 3 64
遠 距 電 漿 清 潔 系 統 微 波 遠 端 電 漿 產 生 室 NF 3 電 漿 CVD 反 應 室 F N 2 F F N 2 F F N 2, SiF 4, 至 真 空 幫 浦 加 熱 板 65
遠 距 電 漿 CVD (RPCVD) 仍 在 研 發 中 運 用 在 沉 積 磊 晶 矽 鍺 閘 極 介 電 質 材 料, SiO 2, SiON, and Si 3 N 4 高 介 電 常 數 (High-κ) 介 電 質 : TiO 2, and Ta 2 O 5 PMD 氮 化 物 阻 擋 層 66
高 密 度 電 漿 在 低 壓 下 產 生 高 密 度 電 漿 低 壓 時 離 子 有 較 長 的 MFP, 較 少 離 子 散 射, 增 進 對 蝕 刻 輪 廓 的 控 制 高 密 度 電 漿 有 更 多 的 離 子 和 自 由 基 增 強 化 學 反 應 增 加 離 子 轟 擊 對 CVD 製 程 而 言, 能 在 臨 場 同 時 進 行 沉 積 / 回 蝕 / 沉 積, 達 到 極 佳 的 間 隙 填 充 能 力 67
平 行 板 電 漿 源 的 限 制 電 容 耦 合 型 電 漿 源 無 法 產 生 高 密 度 電 漿 在 低 壓 ( 幾 個 mtorr) 時, 即 使 加 入 磁 場 亦 很 難 產 生 電 漿 電 子 MFP 太 長, 沒 有 足 夠 的 離 子 化 碰 撞 68
平 行 板 電 漿 源 的 限 制 無 法 獨 立 控 制 離 子 能 量 及 離 子 流 通 量 兩 者 均 與 射 頻 功 率 相 關 較 好 的 製 程 控 制 需 能 獨 立 控 制 離 子 能 量 及 離 子 流 通 量 69
ICP and ECR 半 導 體 產 業 最 常 用 的 高 密 度 電 漿 源 感 應 耦 合 型 電 漿 (Inductively coupled plasma, ICP) 亦 稱 為 變 壓 器 耦 合 型 電 漿 (Transformer coupled plasma, TCP) 電 子 迴 旋 共 振 (Electron cyclotron resonance, ECR) 低 壓 ( 幾 個 mtorr) 可 獨 立 控 制 離 子 流 通 量 及 離 子 能 量 70
感 應 耦 合 型 電 漿 (ICP) 射 頻 電 流 通 過 線 圈 產 生 交 流 磁 場, 再 經 由 感 應 耦 合 產 生 變 動 電 場 感 應 電 場 為 迴 旋 型, 使 電 子 往 迴 旋 方 向 加 速 電 子 因 迴 旋 運 動 可 以 移 動 很 長 距 離, 不 會 與 反 應 器 壁 或 電 極 碰 撞 在 低 壓 狀 態 下, 藉 離 子 化 碰 撞 產 生 高 密 度 電 漿 71
感 應 耦 合 型 電 漿 (ICP) 偏 壓 射 頻 功 率 控 制 離 子 能 量 來 源 射 頻 功 率 控 制 離 子 流 通 量 背 面 氦 氣 系 統 和 靜 電 夾 盤 控 制 晶 圓 溫 度 72
感 應 耦 合 原 理 圖 射 頻 電 流 通 過 線 圈 感 應 電 場 射 頻 磁 場 73
ICP 反 應 室 示 意 圖 來 源 射 頻 功 率 感 應 線 圈 陶 瓷 蓋 反 應 室 主 體 靜 電 夾 盤 電 漿 氦 氣 晶 圓 偏 壓 射 頻 功 率 74
電 子 迴 旋 共 振 (ECR) 螺 旋 轉 動 頻 率 (Gyro-frequency) 或 迴 旋 頻 率 (cyclotron frequency) 由 磁 場 決 定 Ω e = qb m 75
電 子 迴 旋 共 振 (ECR) 當 ω MW = Ω e, 產 生 電 子 迴 旋 共 振 電 子 從 微 波 中 取 得 能 量 電 子 與 其 他 原 子 或 分 子 碰 撞 離 子 化 碰 撞 產 生 更 多 電 子 電 子 繞 磁 場 進 行 螺 旋 運 動 在 低 壓 下 亦 能 產 生 多 次 碰 撞 76
ECR 原 理 圖 電 子 軌 跡 B 微 波 77
ECR 反 應 室 示 意 圖 微 波 磁 場 線 圈 ECR 電 漿 磁 力 線 晶 圓 靜 電 夾 盤 偏 壓 射 頻 功 率 氦 氣 78
ECR 偏 壓 射 頻 功 率 控 制 離 子 能 量 微 波 功 率 控 制 離 子 流 通 量 磁 場 線 圈 電 流 控 制 電 漿 位 置 及 製 程 均 勻 性 背 面 氦 氣 系 統 和 靜 電 夾 盤 控 制 晶 圓 溫 度 79
概 要 電 漿 是 離 子 化 氣 體, n = n 電 漿 包 含 有 離 子 電 子 和 中 性 原 子 或 分 子 離 子 化 激 發 鬆 弛 分 解 離 子 轟 擊 可 增 加 蝕 刻 速 率 和 達 到 非 等 向 性 蝕 刻 發 光 顏 色 可 用 來 做 蝕 刻 終 端 點 偵 測 MFP 及 其 與 壓 力 的 關 係 電 漿 中 的 離 子 會 轟 擊 電 極 80
概 要 增 加 射 頻 功 率 會 同 時 增 加 電 容 耦 合 型 電 漿 的 離 子 流 通 量 及 離 子 能 量 低 頻 率 射 頻 功 率 會 讓 離 子 有 更 多 能 量, 造 成 更 劇 烈 的 離 子 轟 擊 蝕 刻 製 程 比 PECVD 製 程 需 要 更 多 離 子 轟 擊 低 壓 高 密 度 電 漿 的 需 求 半 導 體 製 造 最 常 用 的 兩 種 高 密 度 電 漿 系 統 為 ICP 和 ECR 81