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“傳輸管”將等離子體源與蝕刻室分開這種管，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)研究的目的是開發(fā)和應(yīng)用一個(gè)數(shù)值模型來幫助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)證是通過與實(shí)驗(yàn)蝕刻速率數(shù)據(jù)的比較來實(shí)現(xiàn)的。此外，通過改變總流量、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。一般來說，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。通過噴頭和處理室的流動(dòng)在化學(xué)上比通過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)，所以通過兩個(gè)步驟的過程減少了反應(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%以內(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型。兩個(gè)tlow條件是:(t)67 SCCM NF的基線情況100 sccm O，源功率320 W，蝕刻室壓力335 mTorr，和(ii)67 SCCM NF的非基線情況0 sccm O，源功率320 W，蝕刻室壓力250 mTorr。這兩種晶片類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 %以內(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 %以內(nèi)的數(shù)值和趨勢(shì)。

濃度在百萬分之幾的數(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顯示了通過該室的氟原子濃度和氟原子通量線。在圖3b中，示出了得到的多晶硅蝕刻速率曲線。如果蝕刻速率在整個(gè)晶片上是均勻的，通量線將均勻間隔地與晶片相交。通量線向晶片邊緣的偏轉(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)于一組基線操作條件，模型的精度在10%以內(nèi)，對(duì)于非基線條件，模型的精度在30%以內(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%以內(nèi)的均勻性。通過關(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)，這依賴于更少的獨(dú)立變量并實(shí)現(xiàn)了更低的rms誤差(在1%以內(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