2.2 集成电路常用的等离子体产生方式

等离子体刻蚀早期主要用于去除光刻胶。随着技术的发展，等离子体刻蚀逐步发展成为一种成熟的刻蚀技术并被引入至集成电路的生产中。技术引入的早期，容性耦合等离子体（Capacitive Coupled Plasma, CCP）刻蚀是主要的刻蚀手段。随着技术的不断发展，感性耦合等离子体（Inductive Coupled Plasma, ICP）和电子回旋共振等离子体（Electron Cyclotron Resonance, ECR）作为等离子体源都被应用到集成电路的加工中。各种不同的等离子体源因其不同的解离能力以及等离子体温度与成分的差异被应用到不同的工序中。

在刻蚀中应用的等离子体是部分电离的。在等离子体中，自由电子与中性原子（如A）或分子（如AB）碰撞，实现电离过程。由于入射电子的能量不同，这种碰撞也会产生其他物质，如负离子或者得到两种不同成分的离子。由于电子碰撞，也可以获得激发态分子、中性原子和离子。等离子体发出的光是由于激发态电子返回到它们的基态。因为每个激发态分子或者原子退激发时，电子态之间的能量是很明确的，每种气体将发出特定波长的光，所以可根据获得的不同波长的光进行非浸入式的等离子体诊断。

（1）电离过程：e+A→A ⁺ +2e

（2）离解过程：e+AB→A+B+e

（3）激发过程：e+A→A*+e　A*→A+ hγ （光子）

2.2.1 容性耦合等离子体

1.容性耦合等离子体源介绍

刻蚀领域中最早应用的是容性耦合等离子体，采用的频率为13.56MHz。在20世纪90年代初，这些技术被用于90%以上的等离子体刻蚀。

一个典型的容性耦合等离子体反应器室结构如图2.6所示，电源被连接到源电极或偏置电极。在反应器中，所有与等离子体接触的表面形成鞘层，鞘层可以看作某种介电常数的电容器，即施加的功率是通过一个电容器传输到等离子体中的。

在射频（2～100MHz的频率）下，自由电子的运动能够响应外加电场的变化，若非受到碰撞，电子可以被外加电场加速而获得相当大的电子能量，可达几百eV的量级。另一方面，在这个频率范围，由于离子质量非常大，外界电场对其运动速度的影响非常小，可以忽略，即其从外界电场获得的能量非常小，能量主要来源于外部环境的热能。

在几毫托（mTorr）到几托（Torr）压力范围内的等离子体中，电子将比离子移动更长的距离。等离子体中的电子将比离子更频繁地与反应堆壁和电极碰撞从而更容易离开等离子体，这会使等离子体带正电荷。这时直流电场将会建立起来，使电子会在器壁或者电极被排斥回等离子体中。当等离子体达到平衡态，离开等离子体的电子和离子流量相当。如图2.6所示，偏置电极射频功率馈入前端隔直电容有助于形成直流电压。在最初的几个循环中，等离子体中产生的电子逸出到电极上，使电容带负电荷，在电极上形成一个负的直流偏置电压，它会排斥等离子体中的电子往电极上运动，这时射频交流电压会和负直流电压相叠加，如图2.7所示。

在接地导电壁附近的等离子体中，电子比离子移动速度快，电子先在壁上建立直流电场，排斥电子的进一步运动，使得等离子体的电势高于器壁的电势。

容性耦合模式下等离子体反应器的直流电压如图2.8所示。由图可知电子被边界电场约束在等离子体中。由于电子热运动速度远大于离子运动速度，部分电子先行离开等离子体区域，使等离子体略带正电位，边界电场的形成减小了电子流失速度，当电子和离子流失速度相同时，等离子体电位达到图2.8所示的平衡态。在等离子体内部，电场强度很小或接近于零。

在大多数反应腔中，可以清楚地观察到负电极侧的鞘层区，其亮度低于等离子体主体区域。在这个区域，自由电子的密度和能量都较低，电子与分子或者原子的碰撞减少，导致激发态分子或者原子减少，因此发射出的光子更少，对外表现出一个暗的鞘层区域。鞘层区域是可以计算的。

在直流或者稳态电场下，进入负电极侧鞘层区的离子加速流向负电极。鞘层中电流密度为常数，电荷密度随离子运动速度增加而降低。当 V _DC （直流偏压）远高于电子或离子热运动能量时，鞘层厚度为

式中， V _DC 为直流偏压； λ _S 为鞘层厚度，在等离子体刻蚀工艺中，可达几毫米或者1cm左右； k _b 为波尔兹曼常数。电子穿越鞘层所需时间，也就是电子的响应时间为

同理离子有类似的表达式：

由于离子质量大，离子响应时间较长，当特征频率较高时，离子几乎不受射频电场干扰。不同的特征频率范围如下所示：

（1）低频范围（ ω ≪ ω _pi ， ω 为外加驱动电压的频率， ω _pi 为离子等离子体频率）。

离子穿过一个德拜长度所需要时间为 ，所以在频率非常低的情况下，与施加的电压变化周期相比，离子（和电子）的响应时间更短。离子穿越鞘层的时间远小于振荡的周期。如果鞘层电势的振荡频率非常低，则可以把这种振荡看成一系列的准静态。在任意时刻，DC（直流）鞘层模型都是适用的。只有当鞘层电势与悬浮电势相等时，电子和离子电流才会相互抵消，外电路的净电流将为零。在其他情形下，到达表面的电荷量不再平衡，电流会流过外电路，并通过地电极流回等离子体。

（2）中等频率（ ω ≤ ω _pi ）范围。

当RF频率接近离子等离子体频率 ω _pi 时，离子穿越鞘层的时间与RF周期相当。在此情形下，离子对鞘层电场的变化并不是完全响应的，这将使得离子动力学过程变得复杂。离子在穿越鞘层时所获得的能量依赖于RF调制的相位和频率，所以通过控制这些RF参数，可以调整离子的能量分布函数。

（3）高频率（ ω _pi ≪ ω ＜ ω _pe ， ω _pe 为电子等离子体频率）范围。

当外加交流电频率远高于离子等离子体频率但小于电子等离子体频率时，离子几乎不受干扰，而电子随着鞘层电势的变化作往返振荡。在此频率范围内，靠近等离子体/鞘层界面处的电子能够迅速响应电容上的电量变化，并进行重新分布，其中电容上的电荷变化是由外加驱动电压引起的。

（4）大于电子等离子体频率（ ω _pe ＜ ω ）范围。

在此频率范围内，即使电子也不能瞬时响应外加电压的变化，因此电场可以像穿透电介质一样穿透或者深入等离子体，电子也没有足够的时间来维持等离子体的瞬时准电中性。

2.容性耦合等离子体源的改进

容性耦合等离子体作为等离子体刻蚀的主要等离子体源已经使用了几十年。其最大的优点是制造这些等离子体的反应腔简单，但是这种类型的等离子体受到相当大的限制。

第一个限制是离子密度与离子-能量直接耦合。如果想要获得一个高活性粒子密度的等离子体，只能增大馈入等离子体中的功率。由于离子密度与离子能量的耦合，馈入功率的增大，在获得高活性粒子密度的同时，离子能量也会变得很高。因此，如果想要一个以化学反应为主的高反应性等离子体，该类型的等离子体是不够的。人们为了获得同时具有很高离子密度又具有低离子能量的等离子体，发展出了多频率的RIE系统，以期望用高频控制等离子体的密度，使用低频控制离子的能量，但是相对的离子能量还是较高。

第二个限制是不可能在低压力下产生等离子体。10mTorr通常是该类型等离子体可以维持的最低压力。压力再低时，由于自由程加长，无法通过粒子间碰撞产生足够数量的自由电子来产生和维持等离子体。在当今的刻蚀中，需要非常高深宽比的深槽刻蚀，离子需要以几乎垂直的角度进入晶圆表面。因此在鞘层中应该很少或没有碰撞，这需要一个大的平均自由程，必须尽量减小压力。

为了提高等离子体密度，提高刻蚀速率，发展出了磁增强反应离子刻蚀和多频反应离子刻蚀。

磁增强反应离子刻蚀（Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching, MERIE）通过外加磁场使得电子在磁场线中螺旋前进，提高了碰撞的概率，进而提高了离子密度。MERIE是在腔室外部加入永磁铁或线圈来控制电子。对于磁增强等离子体，主要适用的压力在100mTorr以下。高于100mTorr的压力下，由于离子运动的自由程减小，电子的碰撞增强作用减弱。当压力足够高（＞200mTorr）时，这种磁增强反应离子刻蚀放电的密度提升能力基本可以忽略。

多频容性耦合等离子体能够实现等离子体密度与能量的单独控制，逐步衍生出在不同的电极或者同一电极加载不同频率的功率源的技术。最新的技术可以在刻蚀电极上加载三个不同的频率。当前最常见的还是双频容性耦合等离子体放电。采用DC（直流）或400kHz、2MHz、13.56MHz、27MHz、48MHz、60MHz及更高频率，双频容性耦合放电可以实现能量和密度独立控制。利用高频功率源来控制等离子体的密度，利用低频功率源来控制等离子体的能量。

2.2.2 感性耦合等离子体

1.感性耦合等离子体源的发展历程

容性耦合等离子体还存在一些不足。尽管甚高频容性耦合等离子体可以具有很高的密度，但其空间均匀性将是一个主要的问题。另外，即使在多频驱动的放电下，离子能量和通量也无法完全独立地变化，而感性耦合放电在一定程度上可以解决这些问题。因此，感性耦合放电在等离子体处理工艺及等离子体光源等方面被广泛应用。

感性放电现象在19世纪末被广泛认识。其放电原理是线圈中的射频驱动电流，在等离子体中感应出一个射频电流。利用电磁学的观点解释，线圈中的射频驱动电流会产生一个变化的磁场，变化的磁场又进一步感应出电场，这就是所谓的H模式。但是，在产生H模式方面，线圈比一对平行板更有效。另外，线圈可以与等离子体进行静电耦合，也可以在E模式下运行，这就意味着感性放电可以在H模式和E模式之间转换。但是，与甚高频容性耦合放电相比，其放电模式转换比较陡峭，尤其是对电负性气体放电，在放电过程中会出现很强的回滞效应 ^[10] 和不稳定性 ^[11-14] 。

通过在另外一个电极上施加偏压电源，便可独立地调控入射到基片表面上的离子能量，该基片被放置在一个浸泡在感性耦合等离子体中的电极上。根据自偏压效应，基片与等离子体间很容易产生一个容性耦合电压。由偏压电源转移到等离子体中电子上的功率只能稍微影响等离子体密度和离子通量。

根据反应容器的几何形状设计，产生感性耦合等离子体的腔室结构可以分为两种类型，如图2.9所示。

一种腔室结构是在柱状介质管上缠绕线圈，用来产生等离子体，然后等离子体从介质管扩散到置有基片的处理腔室中，如图2.9（a）所示。另外一种腔室结构是在等离子体上方的介质窗上方放置平面线圈，介质窗与基片台的距离明显地小于腔室的半径，如图2.9（b）所示，这是集成电路产业中等离子体刻蚀工艺通常采用的。

等离子体中产生的射频电流，或等价的感应电磁场，仅能在厚度为 δ 的趋肤层内流动。由于非局域效应和几何效应，趋肤层有时是不同的，电场也是非均匀的。

ICP与CCP等离子体源不同的是，其器壁边界鞘层的厚度一般远小于趋肤层的厚度，而且当感性耦合放电处于H模式时，发生在鞘层内的物理过程不太重要。然而，当系统的电流（功率）比较低时，等离子体与线圈间的静电耦合将起支配作用。这时，鞘层的影响不能忽略。

2.变压器模型

感性耦合可以用一个类似于变压器的模型来描述。这个模型最早是由Piejak等提出的 ^[15] 。在这种模型中，线圈形成的电感和等离子体感性部分形成的电感构成一个变压器，其中等离子体的感性部分所等效的电感被视为空心变压器的单匝二次线圈。一次线圈的电感 L _coil 和电阻 R _coil 两个量定义了线圈的 Q 值，即 Q = ωL _coil / R _coil 。线圈电阻、电感和 Q 值主要是通过实验测量来表征其大小，当然也可通过理论计算来估算。

在变压器耦合模型中，一个关键的参数是互感 M ，通过该参数将线圈与单匝等离子体环联系到一起。一次线圈中的电流可以在二次线圈中感应出电压，反之亦然。在一般情形下，通常 M 被假设为一个实数。可以把一次线圈和二次线圈构成的变压器耦合回路（见图2.10左侧）转换成一个由电阻 R _s 和电感 L _s 组成的单一回路（见图2.10右侧）。

对于上述回路，根据基尔霍夫定律有

式中， 为施加到线圈上的外加驱动电压； L _coil 为线圈电感； I _coil 为线圈电流； R _coil 为线圈电阻； ω 为外加驱动电压频率； M 为互感系数； I _p 为等离子体中的电流； L _mp 为二次线圈的电感； R _p 为等离子体电阻； v _m 为粒子碰撞频率； L _s 为等效单一回路中的电感； R _s 为等效单一回路中的电阻。

通过变压器模型来精确地描述感性放电，考虑输入到变压器的功率完全被等离子体所吸收，可得关系： 。利用互感 M 与变压器模型中各元件的关系，可以得出 R _s 和 L _s 的表达形式。

这样，电阻 R _s 完美地与电磁模型相匹配。尽管在变压器模型中，电子为低密度或高密度的情况下， L _s 与 L _ind 有相同的极限值，但在整个电子密度范围内 L _s 并不等于 L _ind 。在高电子密度的情况下，有 R _ind = N ² R _p ，且惯性项 R _ind / V _m 是个小量，则电感变为 。

在低电子密度极限下，由于 R _ind 无限趋近于0，则有 L _s ≈ L _coil 。对于整个电子密度范围内，由变压器模型给出的电感 L _s 及由电磁模型给出的感抗 L _ind 随电子密度的变化如图2.11所示，显示在中等密度区差别最大。

总结一下变压器模型理论，可以得到如下结论：

（1）在等离子体模型中，电子密度的增大会导致等离子体电阻逐渐地衰减，而在高电子密度情况下，等离子体电流增加到一个极值 I _p = NI _coil 。

（2）在变压器模型中，一旦等离子体二次侧被转换成一次回路，电阻 R _s 的变化是先增大再减小，从低密度 n _e 情况下开始增加，达到一个最大值后，最终在高密度时衰减。

（3）为了能够结合上述现象导致的结果，互感系数 M 必须是电子密度的函数。

（4）严格地讲，在所考虑的电子密度取值范围内，为了模拟变换回路的电阻及感抗，互感系数必须是一个复数（ M 有一个实部和虚部）。为了得到一个感抗的近似简化的表示式，通常假设 M 是一个纯实数。

（5）作为一个一般性结论，有必要指出：在高电子密度下，变压器模型是成立的；但在低密度或中等密度下，实际情况会存在偏离。

3.感性耦合等离子体中的容性耦合

在实际的感性耦合等离子体中，容性耦合也是等离子体的重要部分。除了考虑感性电流（变压器模型），还需考虑电流的容性部分，从而建立一个模型，能把外电流、电压和空间平均的等离子体特征量联系起来。在感性耦合中，线圈上的电压需要足够大，以使驱动产生的容性射频电流能够从介质管（或窗）流经鞘层、等离子体，最后流到地。

这种容性耦合将影响到一部分功率分配，仅在低电子密度下，等离子体处于E模式，容性耦合占主导地位。然而感性放电要求放电装置在高电子密度下能在H模式（电磁感应，感性耦合）下运行，且当放电功率较低时（低电子密度）时，感性耦合等离子体也可以在E模式下（容性耦合）运行，如图2.12所示。

ICP的复杂几何结构使得线圈内部的电压分布不均匀，只有通过对电磁场进行三维数值计算，才能建立适当的容性耦合的模型，而且这种容性耦合也依赖于设计。为了从物理上解释，可以采用一种简化的模型，如图2.13所示。

对于感性分支，先通过简单的电感及电阻来模拟，暂时不使用传输线模型。类似的，对于容性分支，可以用串联的电容及电阻来模拟，其中在电阻中包括了电子的欧姆加热和随机加热效应。电容是介质窗的电容与鞘层电容的串联之和，其中鞘层电容随等离子体的参数变化。在很多情况下，介质窗的电容要远小于RF鞘层的电容，因此鞘层电容起主要作用。

由于容性分支的阻抗总是大于感性分支的阻抗，所以有 。几乎在整个运行区间，都满足 R _ind + R _coil ＜＜ ωL _ind ，并且容性支路的电阻与其电容的阻抗相比远小于1，即 ωR _cap C ＜＜1。这样，对于有容性耦合存在的感性放电，电子吸收的功率为

式中，两个电阻都是电子密度的函数。对于容性电阻 R _cap ，很难精确地对其进行描述，但可以把它分解成欧姆部分和随机部分，且两者随1/ n _e 变化，则有 R _cap = R _ohm + R _stos 。当考虑容性耦合时，功率耦合效率为电子吸收功率与线圈负载功率-电子吸收功率之和的比值。

例如，放电气压为1.33Pa（10mTorr）时的能量耦合效率如图2.14所示，其中计算所用到的电子温度为2.47V，电子密度为6×10 ¹⁶ m ^-3 ，线圈电感 L _coil =2.1μH，线圈电阻 R _coil =0.137Ω，角频率 ω =2π×13.56MHz， Q ≈1300。图2.14中灰色部分为E-H转换区域，其左边为容性耦合区域，右边是感性耦合区域。最大耦合效率出现在感性耦合的开始，此后，则在较高RF电流的情况下减小。在感性放电电阻 R _ind 的最大值处，达到功率平衡时，耦合效率最高。

4.感性耦合等离子体源总结

关于感性耦合等离子体源的主要结论如下：

（1）施加在介质窗外部的线圈上的RF电流可以产生感性放电。这种放电一般利用变压器模型来描述，把等离子体回路电流看作变压器的二次回路。

（2）当激励射频能量的角频率远小于粒子碰撞频率时，感性放电将具有很高的耦合效率。对于这种情况下，等离子体与线圈间的距离必须足够小。

（3）在低RF电流（功率）下，感性放电可以在E模式下运行。由此引发E-H模式的转换。

（4）原则上讲，对于ICP源，离子能量和通量可以近似独立地控制，这是因为由线圈产生的等离子体与基片台上施加的偏压是独立进行的。

2.2.3 电子回旋共振等离子体

电子回旋共振（ECR）等离子体产生的基本机制是微波放电系统中外加磁感应强度为 B 的稳定磁场，当施加恒定磁场时，电子回旋频率 f 满足2π f = eB / m ，其中， e 为电子电荷， m 为电子质量。

如果一个可变电场有相同的频率 f ，电子可以从外界电磁场中吸收能量，电子与其他分子或者原子碰撞进而激发等离子体。为了保证电子获得足够的电场加速，ECR只能在低压下工作，通常低于10mTorr。

利用微波产生的等离子体一般密度更高。但是，产生等离子体的源区距离晶圆较远，到达晶圆表面的反应粒子密度通常比射频等离子体的低，刻蚀的均匀性一般较差。使用ECR设备，如图2.15所示，电子、离子以及其他活性粒子密度可以增加，均匀性将比一个简单的微波反应装置明显提升。

使用ECR微波等离子体的缺点是所施加的磁场必须很大，对于频率为2.45GHz的微波等离子体，要获得共振，磁感应强度大约为875Gs。对于射频等离子体，可以在更低的磁场下获得电子回旋共振。由 B ～ f /2.8可知，外加磁场强度 B 与频率 f 为线性正比关系。

ECR可以产生高的离子密度和电子密度，在较低的压力下，可以获得较高的刻蚀速率和良好的各向异性。ECR刻蚀的主要缺点是刻蚀的均匀性较低，等离子体产生区离晶圆有一定距离，通过扩散到晶圆表面，因此很难在较大的晶圆直径上获得良好的均匀性。随着晶圆尺寸的不断增大，ECR在这些领域的应用将会越来越少；但是对于其他直径更小的衬底，ECR是一种很好的技术。 Uo63PlDtLFvV+52o3Q2G2RkMByIhHfcPs2nV/BTLl2dPNVumxuxt4lpyicxyAFSn