蝕刻系統(tǒng)操作條件對(duì)晶片蝕刻速率和均勻性的影響

引言

正在開(kāi)發(fā)化學(xué)下游蝕刻(CDE)工具，作為用于半導(dǎo)體晶片處理的含水酸浴蝕刻的替代物。對(duì)CDE的要求包括在接近電中性的環(huán)境中獲得高蝕刻速率的能力。高蝕刻率是由含NF”和0的混合物的等離子體放電分解產(chǎn)生的大量活性F原子造成的。，或參考“o”和n。因此，大濃度電中性蝕刻劑的生產(chǎn)提出了沖突的CDE設(shè)計(jì)要求。目前使用的設(shè)計(jì)選擇是通過(guò)“傳輸管”將等離子體源與蝕刻室分開(kāi)這種管，內(nèi)襯化學(xué)惰性材料，如聚四氟乙烯，允許電荷中和，同時(shí)盡量減少中性粒子復(fù)合。

復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)系統(tǒng)的模型最近已經(jīng)發(fā)展到可以從第一原理預(yù)測(cè)CDE系統(tǒng)性能的程度。這項(xiàng)研究的目的是開(kāi)發(fā)和應(yīng)用一個(gè)數(shù)值模型來(lái)幫助CDE工具的設(shè)計(jì)和操作。為此，我們編制了第一個(gè)已知的NF等離子體動(dòng)力學(xué)模型。，/O，氣。該模型與化學(xué)反應(yīng)流模型結(jié)合使用，以預(yù)測(cè)通過(guò)等離子體源、傳輸管、噴頭和蝕刻室的條件。模型驗(yàn)證是通過(guò)與實(shí)驗(yàn)蝕刻速率數(shù)據(jù)的比較來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此外，通過(guò)改變總流量、壓力、等離子體功率、氧氣流量和輸送管直徑，該模型被用于確定CDE系統(tǒng)的操作特性。蝕刻速率和不均勻性與各種輸入和計(jì)算參數(shù)的相關(guān)性突出了系統(tǒng)壓力、流速和原子氟濃度對(duì)系統(tǒng)性能的重要性。

CDE模型

組裝化學(xué)反應(yīng)流模型以包括每個(gè)CDE部件(圖1)中的重要化學(xué)和物理現(xiàn)象，即等離子體源、傳輸管、噴頭和處理室。CDE模型從一個(gè)部件到下一個(gè)部件連續(xù)地跟隨氣體流動(dòng)，每個(gè)部件模型的輸出是下一個(gè)模型的輸入。這些模型包含了每個(gè)組件中重要的物理和化學(xué)現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)流體從等離子體源流向處理室時(shí)，模型的化學(xué)復(fù)雜性降低(從數(shù)百個(gè)化學(xué)反應(yīng)減少到四個(gè))，而物理維度增加(從等離子體源中的0D增加到蝕刻室中的2D)。CDE模型的輸入是入口氣體流速和溫度、等離子體源功率和工藝壓力，輸出是晶片蝕刻速率和不均勻性以及對(duì)晶片上離子濃度的估計(jì)。中間結(jié)果包括等離子體源施加器腐蝕速率和通過(guò)輸送管和處理室的氣相濃度。

此處描述的CDE模型適用于矩陣集成系統(tǒng)公司目前正在開(kāi)發(fā)的CDE工具。該系統(tǒng)包括一個(gè)帶有石英涂敷管的微波等離子體源，能夠以300至750 W輸入功率，NF。，流量高達(dá)67 seem，0。高達(dá)100 sccm的流速，幾十厘米長(zhǎng)的輸送管，以及能夠處理200 mm晶片的蝕刻室。還分析了幾種不同的淋浴頭設(shè)計(jì)?？紤]250至1000毫托的等離子體源壓力。

隨著流動(dòng)向下游進(jìn)行，復(fù)合和中和反應(yīng)在輸送管中是重要的，并且晶片蝕刻反應(yīng)在蝕刻室中是重要的。通過(guò)噴頭和處理室的流動(dòng)在化學(xué)上比通過(guò)等離子體源和輸送管的流動(dòng)簡(jiǎn)單。由于在輸送管中發(fā)生了大量的中和反應(yīng)，所以通過(guò)兩個(gè)步驟的過(guò)程減少了反應(yīng)時(shí)間。首先，帶電粒子被消除。使用一維處理室模型預(yù)測(cè)蝕刻速率。系統(tǒng)地去除物質(zhì)和反應(yīng)，以給出具有幾乎相同蝕刻速率的一組減少的物質(zhì)和反應(yīng):在全部化學(xué)計(jì)算的3%以?xún)?nèi)。使用這種方法，描述源區(qū)域和傳輸管所需的大的反應(yīng)組被簡(jiǎn)化為二維處理室模型可管理的組。

討論

對(duì)各種操作條件和輸送管直徑進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果分為兩部分。第一個(gè)是兩種操作條件和兩種晶片類(lèi)型的計(jì)算和測(cè)量之間的直接比較。第二項(xiàng)是參數(shù)研究，以確定工作條件和幾何變化對(duì)CDE性能的影響。

對(duì)比。—對(duì)蝕刻速率的計(jì)算和測(cè)量進(jìn)行了比較，以確保CDE模型預(yù)測(cè)矩陣CDE工具的性能。對(duì)四種條件進(jìn)行了計(jì)算和測(cè)量之間的直接比較:兩種流動(dòng)條件，每種條件具有兩種不同的晶片類(lèi)型。兩個(gè)tlow條件是:(t)67 SCCM NF的基線(xiàn)情況100 sccm O，源功率320 W，蝕刻室壓力335 mTorr，和(ii)67 SCCM NF的非基線(xiàn)情況0 sccm O，源功率320 W，蝕刻室壓力250 mTorr。這兩種晶片類(lèi)型是覆蓋多晶硅和二氧化硅晶片。蝕刻速率和不均勻性如表1所示。該模型對(duì)NF/O等離子體最為精確，在所有情況下，預(yù)測(cè)蝕刻速率在80 %以?xún)?nèi)。非均勻性的模型預(yù)測(cè)與測(cè)量結(jié)果不一致(在該比較中僅使用了一個(gè)晶片)。已經(jīng)表明，改進(jìn)的比較導(dǎo)致對(duì)更多晶片的更詳細(xì)的測(cè)量。特別是，該模型已用于比較不同CDE下多晶硅蝕刻的蝕刻速率和不均勻性1，24，以及蝕刻速率和不均勻性在25 %以?xún)?nèi)的數(shù)值和趨勢(shì)。

濃度在百萬(wàn)分之幾的數(shù)量級(jí)，并且預(yù)期足夠小，以至于幾乎不會(huì)對(duì)晶片造成損害。由于傳輸管有幾十厘米長(zhǎng)，所以可以看出，按指數(shù)規(guī)律下降的離子濃度無(wú)關(guān)緊要。發(fā)現(xiàn)極小的離子含量是由這里給出的計(jì)算條件產(chǎn)生的，因此我們得出結(jié)論，傳輸管的設(shè)計(jì)預(yù)期消除離子的存在，同時(shí)僅輕微影響自由基濃度。

圖3示出了二維蝕刻室計(jì)算的詳細(xì)結(jié)果。除了晶片之外的所有表面上都發(fā)生氟原子再結(jié)合到Ft，在晶片中多晶硅被氟原子蝕刻以形成SiF。圖3a顯示了通過(guò)該室的氟原子濃度和氟原子通量線(xiàn)。在圖3b中，示出了得到的多晶硅蝕刻速率曲線(xiàn)。如果蝕刻速率在整個(gè)晶片上是均勻的，通量線(xiàn)將均勻間隔地與晶片相交。通量線(xiàn)向晶片邊緣的偏轉(zhuǎn)是蝕刻室中對(duì)流和擴(kuò)散的復(fù)雜相互作用的結(jié)果，導(dǎo)致中心快速蝕刻速率分布。

總結(jié)和結(jié)論

模型o1化學(xué)下游蝕刻已經(jīng)預(yù)測(cè)了一系列操作條件下的蝕刻速率和不均勻性。預(yù)測(cè)和測(cè)量的晶片蝕刻速率之間的直接比較顯示，對(duì)于一組基線(xiàn)操作條件，模型的精度在10%以?xún)?nèi)，對(duì)于非基線(xiàn)條件，模型的精度在30%以?xún)?nèi)。進(jìn)行流速、源混合物的組成、壓力、等離子體源功率和輸送管直徑的系統(tǒng)變化，并得到相關(guān)的蝕刻速率。蝕刻室和等離子體源壓力O和NF、流速充分預(yù)測(cè)了計(jì)算的多晶和氧化物蝕刻速率和7%以?xún)?nèi)的均勻性。通過(guò)關(guān)聯(lián)蝕刻室壓力、蝕刻室入口流速和蝕刻室入口原子氟摩爾分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)了更好的關(guān)聯(lián)，這依賴(lài)于更少的獨(dú)立變量并實(shí)現(xiàn)了更低的rms誤差(在1%以?xún)?nèi))。

這項(xiàng)研究的結(jié)論是:

第一原理化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)模型可用于預(yù)測(cè)NF/O化學(xué)下游蝕刻系統(tǒng)中多晶硅和二氧化硅水的蝕刻速率和均勻性。

蝕刻速率和不均勻性可以與操作參數(shù)相關(guān)聯(lián)，這在工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)該證明是有用的。

使用蝕刻室條件獲得了蝕刻速率和不均勻性的良好相關(guān)性。這應(yīng)該允許基于組合的等離子體源、傳輸管和噴頭部件的輸出來(lái)預(yù)測(cè)CDE性能。

多晶硅蝕刻往往受對(duì)流限制，因此蝕刻速率取決于壓力、質(zhì)量流量和蝕刻劑摩爾分?jǐn)?shù)，而氧化物蝕刻受表面反應(yīng)速率限制，因此比多晶硅蝕刻更多地取決于壓力，而更少地取決于流量。

在較低壓力和較高流速下，蝕刻均勻性得到改善。

晶片上的離子濃度估計(jì)小于10'/cm '，以F*為主。

審核編輯：符乾江