深圳大学集成电路半导体制造期末论文 - 图文

7.1.2 空心阴阴放电

7.1.2.1 原理与优点：

阴极面积大，易于产生较高的电流密度，从而得到高密度等离子体；空心阴极放电的阴极属冷阴极，依靠二次电子发射维持放电；空心阴极有利于提高电离效率

径向电子运动在一定条件下可以维持很长的寿命，从而增加其参与电离的次数（条件：平均自由程大于圆筒半径，阴极表面的鞘层厚度小于圆筒半径，电子在另一侧鞘层内被反射） 阳极面积小，可以减少阳极对电子的吸收，可加强放电；

7.1.3 直流脉冲放电

7.1.3.1 直流放电的伏安特性图：

直流放电的伏安特性 7.1.3.2 放电状态的变化

a-b: 放电开始阶段，电流随电压的升高而增加，形成的微弱电流不稳定（暗流）； b-c: 着火阶段，到达着火电压后，电流迅速增大，c点即放电着火状态；

c-d: 前期辉光放电阶段，电流增大，电压却下降，产生负阻（原因：等离子体密度的增加使等离子体电阻变小）；

d-e: 正常辉光放电阶段，增大电流，电压一定（原因：电流密度一定，导电截面积增加）； e-f: 反常辉光放电阶段，电压随电流增大（导电面积饱和）； f-g: 过渡到弧光放电；

7.1.4 电弧放电

7.1.4.1 电弧的产生： 7.1.4.1.1 热电子

在辉光放电中，随着放电电流的增大，大量高能量等离子体碰撞阴极使其温度上升。阴极热电子发射满足Richardson-Dushman方程，其饱和电子发射流随温度升高而增大

当放电的V-I特性曲线与外电路的负载直线相交时，放电电流趋于稳阴极材料选择对实现弧光放电很重要，常见的有钨、钼等。

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7.1.4.1.2 场致发射

在常温状态下，对阴极表面施加强电场，由于隧道效应，电子从阴极发射出来；当等离子体电位达到100V以上时，接地等离子体容器内的污染表面容易出现许多闪烁辉点，这也是一种场致发射引起的电弧放电－微电弧；在很多场合下，热电子发射和场致发射兼有；

7.1.5 磁控管放电

属冷阴极放电，二次电子维持放电；

阴极表面的磁场与正交电场使电子产生E×B漂移，电子作旋转式摆线运动，增长了电子的寿命；

7.2 交流放电：电容耦合放电，感应耦合放电，介质阻挡放电，微波放电和表面波放电。

7.2.1 静电耦合 主要利用静电场成份来加速电子，又称电容耦合放电。

7.2.2 感应耦合 利用感应电场成份，无外加磁场时产生感应耦合放电，有外加磁场时螺旋波放电。

7.2.3 电磁波耦合 利用电磁波成份为等离子体提供能量，无外加磁场时耦合方式为表面波放电，有外加磁场时可以产生电子回旋共振(ECR)放电。

电容耦合等离子体（Capacitively coupled plasma, CCP）

7.2.4 介质阻挡放电

金属电极表面伴随二次电子发射同时还有溅射与沉积等作用，使电极损伤，高气压放电。

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介质阻挡放电可以用频率从50Hz到MHz级的高电压来启动。 在大气压强(105 Pa)下这种气体放电呈现微通道的放电结构，即通过放电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝组成。

电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的，这种电流细丝就称为微放电，每个微放电的时间过程都非常短促，寿命不到10ns，而电流密度却可高达0.1到1kA／cm2。圆柱状细丝的半径约为0.1mm。在介质表面上微放电扩散成表面放电，这些表面放电呈明亮的斑点，其线径约几个毫米。

7.3 集成电路工艺用到等离子体的工艺：

气体等离子体腐蚀和去胶工艺，高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)工艺，等离子体刻蚀工艺，溅射工艺，等离子辅助CVD化学气相淀积工艺和等离子清洗工艺。

7.3.1 气体等离子体腐蚀和去胶工艺

7.3.1.1 原理：利用等离子体来腐蚀集成电路芯片和去胶,代替原来的化学腐蚀和去胶。这是近些年来发展的一种新工艺。俗称干式法。先前的化学腐蚀和去胶需用很多化学药品,在操作时这些药品有一定的危险性,其废液的处理也很困难,化学药品的沾污给电路的成品率带来一定的影响,如此看来应避免或尽量少用化学药品。等离子体方法正是克服上述问题的有效工艺之一。它 7.3.1.2 优点：有成品率高、MOS阈值电压均匀性得到改进、线条宽度精细、工序减少、时间短、操作较安全、重复性好、无需进行废液处理等许多优点。目前,国内外正在推广应用,为微电路的发展提供了有利条件。

7.3.2 高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)工艺 7.3.2.1 原理：在HDP CVD工艺问世之前，大多数芯片厂普遍采用等离子体增强化学气相沉积(PE CVD)进行绝缘介质的填充。这种工艺对于大于0.8微米的间隙具有良好的填孔效果，然而对于小于0.8微米的间隙，用单步PE CVD工艺填充具有高的深宽比(定义为间隙的深度和宽度的比值)的间隙时会在其中部产生夹断(pinch-off)和空洞(Void)(图2)。

为了解决这一难题，淀积-刻蚀-淀积工艺被用以填充0.5微米至0.8微米的间隙,也就是说，在初始淀积完成部分填孔尚未发生夹断时紧跟着进行刻蚀工艺以重新打开间隙入口，之后再次淀积以

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完成对整个间隙的填充（图3）。

显而易见，为了填充越小的间隙,越来越多的工艺循环需要被执行,在不断降低产量的同时也显著增加了芯片成本，而且由于本身工艺的局限性，即便采用循环工艺，PE CVD对于小于0.5微米的间隙还是无能为力.其他一些传统CVD工艺,如常压CVD(APCVD)和亚常压CVD(SACVD)虽然可以提供对小至0.25微米的间隙的无孔填充,但这些缺乏等离子体辅助淀积产生的膜会依赖下层表面而显示出不同的淀积特性，另外还有低密度和吸潮性等缺点，需要PE CVD增加上保护层和下保护层，或者进行后淀积处理(如退火回流等)。这些工序的加入同样提高了生产成本,增加了整个工艺流程的步骤和复杂性。

HDP CVD工艺正是在探索如何同时满足对高深宽比间隙的填充和控制生产成本的过程中诞生的，它的突破创新之处就在于在同一个反应腔中同步地进行淀积和刻蚀的工艺(图4)。具体来说,在常见的HDP CVD制程中，淀积工艺通常是由SiH4 和 O2 的应来实现，而蚀刻工艺通常是由Ar 和O2 的溅射来完成。

7.3.2.2 反应腔及主要反应过程：

图5是HDP CVD反应腔的示意图.等离子体在低压下以高密度混合气体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面。为了形成高密度等离子体，需要有激发混合气体的RF源，并直接使高密度等离子体到达硅片表面.在HDP CVD反应腔中，主要是由电感耦合等离子体反应器(ICP)来产生并维持高密度的等离子体。当射频电流通过线圈(coil)时会产生一个交流磁场，这个交流磁场经由感应耦合即产生随时间变化的电场，如图6所示。电感耦合型电场能加速电子并且能形成离子化碰撞。由于感应电场的方向时回旋型的，因此电子也就往回旋方向加速，使得电子因回旋而能够运动很长的距离而不会碰到反应腔内壁或电极,这样就能在低压状态(几个mT)下制造出高密度的等离子体。

为了给反应腔中的高能离子定方向，淀积过程中RF偏压被施加于硅片上，推动高能离子脱离等离子体而直接接触到硅片表面，同时偏压也用来控制离子的轰击能量。在HDP CVD反应腔中，等离子体离子密度可达1011~1012/cm3(2~10mT)。由于如此高的等离子体密度加上硅片偏压产生的方向性，使HDP CVD可以填充深宽比为4:1甚至更高的间隙。

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