半导体制程概论07教程文件.ppt
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1、半导体制程概论07目標列出至少三種使用電漿的IC製程列出電漿中重要的三種碰撞描述平均自由徑解釋電漿在蝕刻和化學氣相沉積製程的好處說出至少兩種高密度電漿系統Hong Xiao,Ph.D.2www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm電漿的成分電漿是由中性原子或分子、負電(電子)和正電(離子)所構成準-中性:ni ne游離率:h ne/(ne+nn)Hong Xiao,Ph.D.6www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm游離率游離率主要受電漿中的電子能量決定大部分電漿製程反應室,電漿的游離率小於0.001%.高密度電漿(HDP)源
2、的有較高的游離率,約 1%太陽核心的游離率約100%.Hong Xiao,Ph.D.7www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm中性氣體密度理想氣體1 摩爾=22.4 升=2.24104 cm31 摩爾=6.62 1023 個分子 大氣壓下的氣體密度是2.961019 cm3托的氣體密度是 3.891016 cm3毫托的氣體密度是 3.891013 cm3射頻電漿原有非常低的游離率Hong Xiao,Ph.D.8www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm平行板電漿系統電漿射頻功率暗區或鞘層電極至真空幫浦Hong Xiao,Ph
3、.D.9www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm電漿的產生需要借助外界的能量射頻(RF)電能是最常使用的電源產生一個穩定的射頻電漿需要真空系統Hong Xiao,Ph.D.10www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm離子化e-+AA+2 e-游離碰撞產生電子和離子維持電漿的穩定電子和中性原子或分子碰撞把軌道電子敲離核的束縛Hong Xiao,Ph.D.11www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm離子化的說明自由電子入射撞擊軌道電子兩個自由電子軌道電子原子核原子核Hong Xiao,Ph.
4、D.12www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm激發鬆弛e-+AA*+e-A*A+hn(光)不同的原子/分子有不同的頻率,也就是為什麼不同的氣體會發出不同的顏色.偵測電漿的發光變化來決定蝕刻和化學氣相沉積反應室清潔步驟的終端點(endpoint)Hong Xiao,Ph.D.13www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm激發碰撞入射撞擊電子基態電子激態電子原子核原子核撞擊電子Hong Xiao,Ph.D.14www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鬆弛基態hnhnh:蒲朗克常數n:光的頻率
5、激態Hong Xiao,Ph.D.15www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm分解電子和分子碰撞,可以打斷化學鍵並產生自由基:e-+AB A+B+e-自由基至少有一個未成對電子,化學上是容易起反應的.增加化學反應速率對蝕刻和化學氣相沉積製程非常重要Hong Xiao,Ph.D.16www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm分解ABe-Be-A分子自由基Hong Xiao,Ph.D.17www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm電漿蝕刻氧化物蝕刻製程,在電漿中使用CF4 產生氟(F)的自由基e
6、+CF4 CF3+F+e4F+SiO2 SiF4+2O增進蝕刻製程的化學反應Hong Xiao,Ph.D.18www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm電漿增進化學氣相沉積化學反應PECVD氧化物的製程用矽烷和 NO2(笑氣)e+SiH4 SiH2+2H+ee+N2O N2+O+eSiH2+3O SiO2+H2O 電漿增進化學反應在相對低溫下,PECVD可達高的沉積速率Hong Xiao,Ph.D.19www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm問與答為何在銅和鋁的濺鍍製程中,分解碰撞並不重要?鋁和銅的濺鍍製程中僅使用惰性氣體氬
7、氣。和其他氣體不同的是,惰性氣體是以原子而非分子的形式存在,因此在氬氣電漿中並不會產生分解碰撞Hong Xiao,Ph.D.20www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm問與答在PVD製程中有分解碰撞嗎?有,在氮化鈦(TiN)的沉積中,會用到氬氣(Ar)和氮氣(N2)。在電漿中,氮氣會被分解而產生自由基N,而自由基N又會和鈦產生反應而在鈦靶表面形成氮化鈦,Ar+離子則會把氮化鈦分子從鈦靶表面濺射出來而使之沉積在晶圓表面Hong Xiao,Ph.D.21www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm表7.1 矽烷的分解Hong Xi
8、ao,Ph.D.22www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm問與答表7.1中哪種碰撞最有可能發生?為什麼?需要最少能量的碰撞便是最有可能發生的碰撞Hong Xiao,Ph.D.23www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm平均自由路徑(MFP)粒子和粒子碰撞前能夠移動的平均距離.N是粒子的密度s 是粒子的碰撞截面Hong Xiao,Ph.D.24www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm平均自由路徑說明大粒子小粒子大粒子小粒子(a)(b)Hong Xiao,Ph.D.25www2.austi
9、n.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm平均自由路徑(MFP)壓力的影響壓力越高,平均自由路徑越短壓力越低,平均自由路徑越長Hong Xiao,Ph.D.26www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm問與答為何需要用到一個真空反應室來產生穩定的電漿?電子在大氣壓(760 托)的狀態下的平均自由路徑很短,電子很難去獲取足夠的能量使氣體離子化.在一個極度強大的電場下,電漿會形成弧光(arcing,像是閃電一樣)的型態,而非穩定的輝光放電(glow discharge)Hong Xiao,Ph.D.27www2.austin.cc.tx.us/Hon
10、gXiao/Book.htm帶電粒子的移動電子質量遠小於離子me mime:mH=1:1836電子和離子具相同的電力F=qE電子有較高的加速度a=F/mHong Xiao,Ph.D.28www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm帶電粒子的移動射頻電場變化的非常快,電子可以快速的加速且開始碰撞,離子太重無法立即對交流的電場作出反應由於離子的碰撞截面較大所以有較多的碰撞,也因此減緩離子的運動速度在電漿中電子移動的較離子快很多Hong Xiao,Ph.D.29www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm熱速度電子熱速度v=(kTe/m
11、e)1/2射頻電漿,Te 約 2 eVve 5.93107 cm/sec=1.33107 mphHong Xiao,Ph.D.30www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm磁力和螺旋運動磁力作用在一個帶電粒子上:F=qvB磁力總是垂直粒子的速度帶電粒子沿著磁場線螺旋狀旋繞.螺旋運動(Gyro-motion)Hong Xiao,Ph.D.31www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm螺旋運動帶電粒子軌跡磁力線Hong Xiao,Ph.D.32www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm螺旋轉動頻率
12、磁場中的帶電粒子作螺旋運動環繞磁場線的頻率Hong Xiao,Ph.D.33www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm螺旋轉動半徑在磁場中帶電粒子的迴旋半徑,r,可以下式表示:r=v/W Hong Xiao,Ph.D.34www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm能量能量,Ef(E)2-3 eV具有足夠離子化能量的電子波茲曼分佈Hong Xiao,Ph.D.35www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm離子轟擊離子轟擊當電漿製程開始後,任何接近電漿的東西都會產生離子轟擊對於濺鍍、蝕刻和電漿增強
13、式化學氣相沉積非常重要主要受射頻功率供給影響壓力也會影響轟擊Hong Xiao,Ph.D.36www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm離子轟擊離子轟擊電子移動比離子快很多電子首先到達電極和反應室牆邊電極帶負電,排斥電子,吸引離子.鞘極(sheath)電位差會加速離子朝向電極移動,並造成離子轟擊.離子轟擊對濺鍍、蝕刻和電漿增強式化學氣相沉積非常重要.Hong Xiao,Ph.D.37www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鞘層電位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-
14、+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+鞘層區VpVfx暗區巨體電漿鞘層電位電極Hong Xiao,Ph.D.38www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm離子轟擊的應用幫助如何到達非等向性蝕刻輪廓損傷機制阻絕機制氬濺鍍縫補縫隙的介電質蝕刻金屬沉積幫助控制PECVD製程中薄膜的應力較重的離子轟擊,薄膜受到的壓應力越大Hong Xiao,Ph.D.39www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm直流偏壓和射頻功率的
15、關係時間電壓(伏特)直流偏壓射頻電位電漿電位Hong Xiao,Ph.D.40www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm直流偏壓和射頻功率0時間電漿電位0時間電漿電位直流偏壓射頻電位直流偏壓較低的射頻功率 較小的直流偏壓 較高的射頻功率 較大的直流偏壓Hong Xiao,Ph.D.41www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm離子轟擊離子能量離子密度兩者受射頻功率控制Hong Xiao,Ph.D.42www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm離子轟擊控制增加射頻功率、增加直流偏壓,則離子密度也
16、增加.離子密度和離子轟擊能量都受射頻功率控制.射頻功率是控制離子轟擊最重要的把手射頻功率也用來做為增強式化學氣相沉積製程薄膜應力的控制Hong Xiao,Ph.D.43www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm化學氣相沉積反應室電漿的直流偏壓Vp=10 20 V射頻熱電極接地電極暗區或鞘層區域Hong Xiao,Ph.D.44www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm蝕刻反應室電漿的直流偏壓直流偏壓0時間晶圓電位電漿電位自我偏壓Hong Xiao,Ph.D.45www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Boo
17、k.htm蝕刻反應室電漿的直流偏壓V2A2A1V1/V2=(A2/A1)V1=200 到 1000 V4直流偏壓 V1Hong Xiao,Ph.D.46www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm問與答如果電擊的面積比例為1:3,試問直流偏壓和自我偏壓之間的差值為何?直流偏壓是 V1,自我偏壓是 V1-V2,因此,他們的差值是V1 -(V1-V2)/V1=V2/V1=(A1/A2)4=(1/3)4=1/81=1.23%Hong Xiao,Ph.D.47www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm問與答我們是否可以在電漿中插入金屬探
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