等离子体刻蚀中反应物输运对剖面演化影响的多尺度研究

摘要

等离子体刻蚀与薄膜沉积、光刻等工艺结合，通过精细的图形转移在衬底材料上形成微电子器件的微观结构，是半导体制造中不可缺少的关键技术。随着10nm及更先进技术节点的应用，更小的特征尺寸、更复杂的微结构使得对刻蚀中剖面控制的精度要求达到了原子/分子的级别，给等离子体刻蚀带来严峻挑战。在等离子体刻蚀中，反应性粒子的产生，及其在鞘层和刻蚀槽/孔的输运过程决定了被刻蚀材料表面的反应性粒子的通量、能量，是影响刻蚀过程中剖面控制、选择性、介质损伤等的关键因素。本文建立了包括腔室、鞘层、刻蚀槽/孔以及表面的多尺度模型，能够在工业应用条件下，对等离子体刻蚀中的剖面演化过程进行模拟。通过模拟能够获得实验难以诊断的物理量，帮助更深入的理解刻蚀中复杂的多尺度、多物理过程，有利于减少产业应用中的试错成本，为工艺开发以及设备的设计和优化提供支持。
　　本文第一章是绪论，介绍了低温等离子体在半导体制造中的应用背景，以及等离子体刻蚀当前面临的新机遇和挑战。
　　在第二章中介绍了多尺度刻蚀演化仿真模型。首先通过整体模型能够快速获得不同放电参数下反应器内离子、中性粒子的密度（通量）以及电子温度。这些结果与偏压条件一起作为鞘层模型的输入参数，进一步计算离子在鞘层中的加速和碰撞过程，得到离子能量和角度分布。在刻蚀槽模型中，通过对各粒子的通量、能量和角度进行抽样，判断它们的种类并计算进入模拟区域的初始速度，进而追踪离子和中性粒子在槽内的运动，得到它们在材料表面的分布，对离子的运动还考虑了表面反射和充电效应的影响。最后结合表面反应模型，实现对刻蚀剖面演化过程的模拟。
　　在第三章中，首先模拟了不同放电参数下反应性粒子的产生，以及这些粒子在鞘层和刻蚀槽的输运过程，考虑了包括离子反射、充电效应等影响微观均匀性的关键因素。其次，通过结合反应性粒子在刻蚀槽表面的分布和表面反应算法，模拟了Cl2等离子体下Si刻蚀的剖面演化过程，揭示了宏观放电参数和微观输运机制对刻蚀微观均匀性的影响。结果表明离子在侧壁的反射使得刻蚀槽底部两侧角落处的离子分布更集中并形成微槽，当槽深增大时，发生反射的侧壁面积增大，因此微槽更严重。当气压增大时，离子在侧壁上部的分布增多导致侧壁刻蚀更严重，且反射后的离子容易远离槽底的角落，因此微槽向中心移动，此外，高气压下低能离子的增多使得在局域电场作用下更多的离子轨迹发生扭曲并在侧壁发生反射，使微槽更严重。中性粒子在表面的覆盖度与宏观放电参数和微观结构的几何形貌有关，随着刻蚀槽深度的增加，表面的中性粒子覆盖度降低，导致了刻蚀速率随槽深增大而减小的深宽比依赖刻蚀。
　　在第四章中针对Ar/C4F8等离子体中SiO2的刻蚀过程，使用刻蚀槽元胞法耦合求解表面反应的蒙特卡罗法模拟表面钝化、沉积等过程，模拟了不同放电参数下等离子体的产生和微观输运对刻蚀剖面演化的影响。结果表明，较高的气压下微槽更严重，刻蚀速率的深宽比依赖更严重。偏压增大时刻蚀速率增大，刻蚀形貌底部更快出现梯度。此外，通过对偏压波形的“裁剪”，能够控制离子能量分布中高能、低能峰对应的能量值，以及高、低能离子的比例，并进而影响刻蚀剖面形貌。
　　在第五章中应用多尺度模型研究了Si和SiO2的原子层刻蚀。结果表明与传统刻蚀相比，Si原子层刻蚀中剖面的底部平坦且侧壁陡直。随着刻蚀槽深度的增大，侧壁上部的自发化学刻蚀导致侧壁刻蚀增大。此外，通过施加长脉冲调制的射频偏压来控制离子能量分布，能够使得表面钝化和刻蚀过程在一定程度上分离，减小传统刻蚀中的微槽和深宽比依赖，从而实现更好的形貌控制。在SiO2原子层刻蚀中，刻蚀步骤中离子对SiO2的溅射导致剖面形貌受到表面不均匀的粒子分布的影响，在刻蚀槽底部出现微槽，且由于中性粒子的覆盖度随槽深的增加而减小，刻蚀槽底部随着刻蚀进行逐步尖化。通过合适的刻蚀步骤时长能够平衡离子溅射和中性粒子覆盖度两种不均匀性带来的影响，实现更好的剖面形貌控制。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 低温等离子体和半导体制造

1．2等离子体沉积和刻蚀

1．3反应物的产生和输运过程

1．3．1等离子体源

1．3．2等离子体鞘层和离子能量分布

1．4等离子体刻蚀的仿真模拟

1．4．1等离子体刻蚀中的多尺度过程

1．4．2多尺度模型的研究背景

1．5本文的研究内容与安排

2刻蚀剖面演化的多尺度模型

2．1 引言

2．2腔室模型

2．2．1腔室模拟简介

2．2．2整体模型

2．3鞘层模型

2．3．1混合鞘层模型简介

2．3．2流体模型

2．3．3离子碰撞过程的模拟

2．4特征尺度的刻蚀槽模型

2．4．1 元胞法

2．4．2反应物在刻蚀槽内的运动

2．4．3离子的表面反射

2．4．4离子运动和充电效应

2．4．5副产物的再沉积

2．5表面反应模型

2．5．1 简介

2．5．2刻蚀产额与离子能量的依赖关系

2．5．3表面覆盖度平衡法

2．5．4表面反应的蒙特卡罗几率法

2．6本章小结

3 反应物的输运与刻蚀的微观不均匀性

3．1 引言

3．2宏观放电参数对反应物的产生和离子在鞘层中运动的影响

3．2．1反应物的产生

3．2．2离子穿越鞘层后的能量和角度分布

3．3微观刻蚀槽尺度下反应物的输运和表面分布

3．3．1 离子在刻蚀槽表面的分布

3．3．2充电效应对离子运动的影响

3．4表面反应

3．5放电参数对刻蚀剖面演化过程的影响

3．5．1气压对刻蚀剖面演化的影响

3．5．2偏压对刻蚀剖面演化的影响

3．6刻蚀的微观不均匀性

3．6．1充电效应

3．6．2刻蚀副产物的再沉积

3．7本章小结

4 Ar／C4F8等离子体中SiO2的刻蚀

4．1 引言

4．2反应物的产生与离子能量和角度分布

4．2．1反应器尺度的放电模拟

4．2．2离子穿越鞘层后的能量和角度分布

4．3表面反应模型和蒙特卡罗法

4．4放电参数对刻蚀剖面演化的影响

4．4．1放电气压和功率对刻蚀剖面演化的影响

4．4．2偏压对刻蚀剖面演化的影响

4．5微观不均匀性与剖面形貌控制

4．5．1充电效应

4．5．2侧壁保护

4．5．3离子能量调制与刻蚀剖面形貌控制

4．6本章小结

5原子层刻蚀

5．1 引言

5．2 Si的原子层刻蚀

5．3 Si的长脉冲偏压刻蚀

5．4 SiO2的原子层刻蚀

5．5本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介