淺談刻蝕的終點控制

1.等離子體刻蝕的新進(jìn)展

等離子體蝕刻過程需要達(dá)到高產(chǎn)量、高均勻性、高選擇比、各向異性和無損傷等目標(biāo)。對于傳統(tǒng)的連續(xù)等離子體蝕刻而言，當(dāng)器件尺寸縮小到14nm節(jié)點以下，達(dá)到上述蝕刻目標(biāo)變得越來越困難。

1.1?脈沖等離子體刻蝕?Pulsed plasma etching

相對于傳統(tǒng)的連續(xù)波等離子體刻蝕，脈沖等離子體技術(shù)能夠在刻蝕選擇比、各向異性和輕電荷累計損傷等方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。對于脈沖技術(shù)，不同的輸入?yún)?shù)，如反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、源功率、偏置功率、氣壓、頻率、脈沖方式、脈沖重復(fù)頻率、脈沖占空比等，都會影響刻蝕機(jī)臺內(nèi)等離子體的特性，如等離子體密度、反應(yīng)基團(tuán)活性、電子溫度、中性離子和解離率等。完整的等離子體脈沖刻蝕循環(huán)包括4個階段：

素材源自：Pulsed high-density plasmas for advanced dry etching processes.Samer Banna, Ankur Agarwal, Gilles Cunge, Maxime Darnon, Erwine Pargon, and Olivier Joubert

1. 初始活躍發(fā)光期

當(dāng)電源瞬間打開，等離子體激發(fā)，電子(和離子)密度開始上升，但并未完全達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于功率處于峰值且電子密度較低該時期的平均電子能量最初較高，等離子體電勢和離子能量也很高。

2. 穩(wěn)態(tài)主動發(fā)光期

當(dāng)?shù)入x子體過渡到穩(wěn)態(tài)主動輝光期時，電子和離子密度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。電子溫度和等離子體電勢也達(dá)到穩(wěn)態(tài)。這一時期的特點是高離子通量和幾乎恒定的等離子體阻抗。

3. 初始余輝期

當(dāng)功率暫時關(guān)閉時，負(fù)責(zé)電子加熱的感應(yīng)電場迅速減弱。當(dāng)電子不再被加熱時，它們在碰撞中通過逃逸到壁上來耗散能量，并且電子溫度在此期間迅速下降。等離子體電勢也開始迅速下降，鞘層相應(yīng)地開始塌陷。在此期間離子通量和離子能量均迅速下降。

4.晚余輝期

當(dāng)?shù)入x子體轉(zhuǎn)變到這種狀態(tài)時，電子密度處于最低水平。一般來說，等離子體密度下降的水平取決于占空比和脈沖頻率。通過調(diào)整脈沖的占空比，可以將時間平均離子能量分布函數(shù)進(jìn)行調(diào)整。此外，在余輝后期，隨著鞘層塌陷，入射到晶圓上的離子的角度分布很寬，這有利于被蝕刻特征頂部附近的電荷中和。此外，在脈沖的這個階段，塌陷的鞘層可能允許負(fù)離子到達(dá)特征的底部，從而減少正電荷的積累。最后，由于余輝中電子溫度快速衰減，電子碰撞解離反應(yīng)速率迅速下降，從而顯著減少自由基的產(chǎn)生。與此同時，自由基在反應(yīng)器壁上消失，在那里它們粘附或重新結(jié)合，它們的密度在余輝中衰減。然而，實現(xiàn)任何顯著自由基密度變化的典型時間約為幾毫秒，即比離子通量的脈沖周期長得多。在這種條件下，離子通量快速調(diào)節(jié)，而自由基通量恒定并且與占空比無關(guān)。這就是為什么高頻等離子體脈沖可以幾乎獨立地控制到達(dá)晶片的離子通量和自由基通量。

脈沖等離子體的作用?

素材源自：Pulsed plasmas for etching in microelectronics.M. Darnon, G. Cunge, C. Petit-Etienne, M. Haass, P. Bodart, M. Brihoum, R. Blanc, E. Despiau-Pujo, S. Banna, O. Joubert

1.2?原子層刻蝕?Atomic layer etching (ALE)

隨著行業(yè)從 10 納米 finFET 遷移到 7 納米 finFET，鰭之間的溝槽或間隙將縮小到約 5 個原子寬，傳統(tǒng)蝕刻工具很難在這些先進(jìn)節(jié)點上達(dá)到要求。

原子層刻蝕ALE 是一種利用連續(xù)自限反應(yīng)去除材料薄層的技術(shù)，被認(rèn)為是實現(xiàn)原子級時代所需的低工藝變異性的最有前途的技術(shù)之一。ALE可以選擇性地去除超薄材料或僅原子，而不損壞其周圍的結(jié)構(gòu)。ALE 是單層蝕刻：它能夠從基材上逐層受控地去除材料，蝕刻厚度約為單層的數(shù)量級。?ALE 基本步驟是是先形成反應(yīng)層的改性，然后僅去除該改性層。使用離子可以實現(xiàn)形成深而窄的結(jié)構(gòu)所需的定向蝕刻。

素材源自：Overview of atomic layer etching in the semiconductor industry.?Keren J. Kanarik,?Thors ten Lill, Eric A. Hudson, Saravanapriyan Sriraman, Samantha Tan,Jeffrey Marks, Vahid Vahedi, and Richard A. Gottscho

2. 刻蝕的終點控制

(1) 光譜分析

每個原子/分子都有自己的發(fā)射波長。蝕刻不同材料時等離子體顏色發(fā)生變化，可用光學(xué)傳感器檢測變化并指示等離子體蝕刻工藝的終點。

素材源自：https://slideplayer.com/slide/4180202/

來自主要刻蝕劑或副產(chǎn)物的發(fā)射信號在刻蝕終點處將開始上升或下降:

素材源自：https://slideplayer.com/slide/4180202/

(2) 激光干涉測量

激光干涉測量通過將小激光光斑（直徑約 20-60μm，波長為 670、905 或 980nm）聚焦到晶圓表面并測量反射光強(qiáng)度來直接監(jiān)測晶圓。刻蝕室頂部裝有相機(jī)，提供晶圓表面的圖像并將激光點聚焦到晶圓上。相機(jī)還收集反射的激光以提供晶圓反射率的測量。通過移動相機(jī)的 x-y 工作臺，可以將光斑定位在晶圓表面上的特定點。