等离子体技术【一】--脉冲技术

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本文介绍了脉冲等离子体技术在干法刻蚀领域的应用背景，从半导体制程工艺需求层面讲述了纳米量级的刻蚀制程对等离子体参数的需求。重点对脉冲等离子体工作机制、脉冲匹配技术和脉冲等离子体诊断技术研究进展进行了论述。

关键词：干法刻蚀，等离子体损伤，脉冲等离子体

1. 引言

伴随着摩尔定律的发展，半导体芯片的晶圆尺寸越来大，,刻蚀的线宽也逐步缩小。随着线宽的逐步降低，等离子体刻蚀过程导致的损伤问题日益突出。这使得等离子体刻蚀过程需要满足如下要求：对衬底无损伤、更好的均匀性、更高的选择比、更好的各向异性和更高的产出等。为了满足这些需求，人们积极研究一些新材料用于下一代集成电路，也同时促使工业界及学术界不断设计及研究适用于下一代的等离子体刻蚀技术，使等离子体源具有更多的调节手段、更宽的工艺窗口。

一般来说，等离子体损伤（PID）主要包含以下因素：

（1）由于高能离子轰击晶片引起的表面物理损伤；

（2）光子辐射轰击晶片引起的损伤；

（3）等离子体非均匀性引起的损伤；

（4）电荷分布的不均匀性引起的损伤；

（5）各向同性的电子在大深宽比的顶部积累负电荷，定向的离子在沟槽的底部积累正电荷，这样也会导致 PID 的产生。

2. 脉冲等离子体工作机制

通常，等离子体刻蚀设备多采用连续波（CW）射频源，即射频源提供连续的功率或者电压激发等离子体。在过去的二十多年里，一些研究者通过模拟及实验证明采用脉冲射频模式可以扩大等离子体参数控制窗口，可提高工艺过程控制的灵活性。

对于射频脉冲模式，主要有两个参数，一个是脉冲频率（pulse frequency），即射频源每秒开关的次数；另一个是占空比(duty cycle)，即脉冲开启的时间占整个脉冲周期的比例。如图1所示：图1.脉冲调制等离子体作用示意图：

(1): 脉冲初期；(2): 脉冲后期；(3): 后辉光前期； (4): 后辉光后期（duty cycle=ton/(ton+toff_）

通过改变脉冲频率及占空比，可以实现对等离子体参数的调控，如离子密度、电子密度、电子温度、等离子体化学成分和等离子体电位等。对刻蚀工艺常用的电负性气体，可以在脉冲关闭阶段形成离子-离子等离子体，对于氧化层刻蚀可以实现高选择比、高各向异性、无底部凹槽；同时可以使得刻蚀中出现的图形扭曲现象得到抑制。此外，脉冲的施加从时间尺度上减少了高密度等离子体紫外辐射及高能离子轰击导致的晶片损伤。

在射频等离子体刻蚀领域，等离子体源刻蚀机类型可以分为两类：一类是以RIE为代表的CCP等离子体源，采用60MHz/2MHz的射频频率或者13.56MHz/DC的配置方式；另一类是ICP-CCP等离子体源，通常采用13.56MHz的射频频率，包含一个感应耦合等离子体源（ICP），控制等离子体密度，一个容性耦合等离子体源（CCP），控制偏压能量，如图2所示。

(1): 脉冲初期；(2): 脉冲后期；(3): 后辉光前期；(4): 后辉光后期（duty cycle=ton/(ton+toff_)

图2.ICP-CCP源结构示意图

3. 脉冲等离子体匹配技术

对于ICP-CCP脉冲放电，目前存在的主要技术性问题是反射功率高。在低于几个 mTorr的气压下，可以观察到当主电源是脉冲模式时，由于等离子体电抗随脉冲变化很快，偏压电源很难耦合到等离子体上，反射的偏压功率很大。尤其是脉冲频率大于1 kHz（脉冲弛豫时间小于1s）时，功率反射非常明显，使得可以使用的稳定起辉窗口受到限制。

射频功率的耦合是脉冲等离子体技术应用中一个重要的挑战。发展脉冲的等离子体技术的焦点之一就是改进在亚微秒模式下的射频功率耦合。为了提高脉冲放电条件下功率耦合，人们采用了多种功率匹配方式：

一是在脉冲放电时，保持匹配器中的可变电容在一个固定位置，该位置与连续波放电的情况一样，并假设前辉光阶段的调谐电容与连续波放电的时候相同。

二是采用电源调频技术，即调节RF频率在基频附近，使得电抗能够匹配。这种技术响应速度快，能跟上脉冲频率变化，实时调整电路中的阻抗，使之总是在优秀匹配状态。

三是采用时间分辨的方法，即随时调整脉冲匹配方法，调节匹配网络使得RF功率在较长的时间尺度上释放，而在较短的时间尺度上利用调频技术，同时提出可调电容固定在占空比为90%的这一位置。

4. 脉冲等离子体诊断

在脉冲等离子体参数诊断方面，大多数研究者聚焦于脉冲等离子体温度、密度、离子通量和成分变化上。有研究者采用蒙特卡罗模型模拟了同步脉冲条件下ICP-CCP源脉冲参数对Ar/Cl2放电离子角向量分布的影响。得到在脉冲起辉初步阶段，将出现高能离子能量分布尖峰，并且脉冲波形可以影响高能峰；大连理工王友年等人通过实验与模拟手段对比了O2/Ar混合气体在不同脉冲ICP功率条件下的电子温度，发现电子温度对脉冲功率不敏感，电子密度随着功率增加而增加。采用Langmuir探针测试的ICP Ar等离子体脉冲条件下的等离子体参数，表明电子温度在后辉光区可以降低至0.5eV, 而当脉冲开启时，电子温度有一个突然增加的峰值出现。这是因为在脉冲off阶段电子密度较低，残留的电子耦合到功率后重新获得了能量，以产生等离子体。对于等离子体电势，在后辉光区也有明显的降低，而离子通量相对电子通量变化速率较慢。

调节脉冲频率及占空比可以实现对等离子体化学成分的控制。有研究表明通过脉冲频率和占空比调节可以控制等离子体成分。如Cl2 ICP放电，结果表明在低于1kHz脉冲频率时， Cl2的密度受脉冲频率影响较大，ICP源脉冲时，副产物解离率降低，Cl2密度在脉冲关闭后达到稳定状态需要10ms量级的时间；而当脉冲频率大于1kHz时，Cl2密度受脉冲频率的影响不明显。

从以上研究可以看出，脉冲的施加从时间尺度上增加了对等离子体参数的控制手段。通过调节脉冲频率和占空比，利用电子、离子和自由基对电场反应时间的差异，可以实现对等离子体物理及化学成分的控制。

对于脉冲ICP-CCP等离子体源，由于存在ICP源、CCP源放电机制的差异，二者在脉冲起辉条件下的功率耦合机制目前尚未有比较明确的报道。ICP源在起辉过程中存在E-H模式的转换，在E-H模式转换过程中，等离子体阻抗发生较大的变化，该变化是否是导致ICP-CCP源在脉冲条件下存在反射的影响因素需要探究。对于脉冲等离子体诊断，大多数文献只考虑了放电气体的等离子体参数测量，对在刻蚀过程中副产物对等离子体参数的测量仍然缺乏研究。目前常用的Langmuir探针等测量手段，介入等离子体后会对等离子体产生一定的扰动，测量结果有一定的不确定性。

对于脉冲ICP等离子体还有若干问题需要研究。如ICP-CCP脉冲放电条件下的功率耦合机制、精确的电子温度测量方法等。

【示例参考】以下摘自：《等离子体放电原理与材料处理》