脉冲等离子体刻蚀工艺中极板上离子能量和角度分布的研究

摘要

半导体集成电路(Semiconductor Integrated Circuit)是微纳制造领域的制高点;随着其特征尺度(Feature Scale)的日益缩小，在工艺加工过程中所面临的挑战也愈来愈严峻。作为不可替代的手段，等离子体刻蚀技术相比于传统湿法刻蚀具有高刻蚀速率、高选择性和高各向异性的优势，是实现图案从光刻模板到硅基板高保真转移的关键工艺技术之一;例如用碳氟等离子体刻蚀SiO2，用氯等离子体刻蚀Si等。重点问题是在提高刻蚀率的同时，又能保证刻蚀的均匀性、各向异性以及较低的辐射损伤。通常在刻蚀气体中添加Ar以增强离子轰击能力;然而极板上的离子能量与角度分布(Ion Energy andAngular Distribution，IED and IAD)及离子密度(Ion Density)是直接影响到刻蚀结果的关键因素，但是Ion Density对刻蚀速率的影响、电荷积累对IED的影响、IED和IAD对表面反应的作用使清晰把握其对刻蚀机制的影响规律存在众多困难;故能够精确调控Ion Density、 IED和IAD是亟待解决的关键工艺问题。
　　本文建立了由反应器模型(Reactor Model)和鞘层模型(Sheath Model)耦合的多尺度模型，对盘香型感性耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)放电过程进行仿真，研究并分析不同脉冲偏压波形与放电参数调制下到达下极板的IED和IAD。本文采用商业软件CFD-ACE+建立ICP反应器腔室模型，得到在不同的反应系数下的离子和中性粒子的密度分布;将鞘层边界处对应的离子密度作为鞘层模型计算的边界条件，得到到达极板上的IED和IAD。这里鞘层模型是由流体模型(Fluid Model)和蒙特卡洛方法(Monte-Carlo Simulations，MCS)组成的鞘层混合动力学模型。对于Ar/C4F8放电，源偏压采用连续的射频源，而Ar/Cl2放电采用的是脉冲调制射频的源偏压。在加工极板上施加不同的脉冲偏压波形，不仅可以有效的调制IED和IAD且能在一定程度上克服影响刻蚀形貌的充电效应(Charging Effect)。
　　在本文第三章，主要讨论了在Ar/C4F8等离子体放电过程中各离子在不同脉冲偏压以及不同放电参数条件下的IED和IAD。结果表明，不同的脉冲偏压波形及放电参数对于IED和IAD的演化规律具有一定的调节作用。通过设计不同的脉冲偏压波形能够使得离子得到更高能量，且IED单能性提高、能峰之间的宽度缩短;离子在入射到极板表面时具有最小的角度。本文第四章考虑了脉冲调制Ar/Cl2等离子体放电过程中的各离子在不同放电参数下的Ion Density腔室分布情况，并分析了IED和IAD在不同极板偏压波形和参数条件下的演化规律;结果表明，高源偏压占空比、高放电气压、高Ar/Cl2进气流比可以增大离子密度;腔室中Ar+的密度是Cl2+密度的二倍多;IED和IAD同样可以通过极板脉冲偏压波形、放电参数来得到控制。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 等离子体技术的工业应用

1．2 加工基板偏压研究进展

1．3 脉冲调制等离子体研究进展

1．4 离子能量和角度分布研究进展

1．5 本文研究内容和结构安排

2 数值模型介绍

2．1 反应器模型

2．2 鞘层混合模型

2．2．1 流体模型

2．2．2 蒙特卡洛方法

3 脉冲偏压Ar／C4F8等离子体的多尺度模拟

3．1 离子能量分布(IED)

3．1．1 脉冲偏压波形对IED的影响

3．1．2 放电参数对IED的影响

3．2 离子角度分布(IAD)

3．2．1 脉冲偏压波形对IAD的影响

3．2．2 放电参数对IAD的影响

3．3 本章小结

4 脉冲调制射频Ar／Cl2等离子体的多尺度模拟

4．1 放电参数对离子密度分布的影响

4．2 离子能量分布和角度分布(IEAD)

4．2．1 脉冲偏压波形的影响

4．2．2 放电参数的影响

4．3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢