射频容性耦合碳氟等离子体放电特性研究

Capacitively coupled fluorocarbon plasma has been widely used for etching silicon dioxide in the fabrication of very large scale integrated circuits (VLSI). The etching rate, anisotropy, selectivity, uniformity and plasma damage are the key issues in the etching process. Aiming at obtaining the optimal parameters in eatching process, a numerical model of multi-fields (including plasma, electrostatic field and chemical reactions, etc) is developed in this project. The influences of the external control parameters (i.e., source parameter and gas composition parameter) on the chemical reaction mechanisms of active species and the plasma parameters (such as concentration and flux of active species) are examined to a detailed study of the plasma characteristics in rf capacitively coupled fluorocarbon discharge. Moreover, the plasma uniformity is investigated under different reactor structure. Finally, to validate the model prediction, active species densities are mearsured by a set of experimental diagnostics (double probe, hairpin probe, emission and absorption spectrometer) to compare with the simulation results.

容性耦合碳氟等离子体被广泛应用在超大规模集成电路的材料刻蚀工艺中。如何获得更高刻蚀速率、各向异性、刻蚀选择性和均匀性的等离子体以及降低晶圆损伤是刻蚀工艺研究中的热点和难点。本项目针对下一代大面积小线宽的刻蚀加工工艺，建立同时包含等离子体、电磁场以及化学反应的多场耦合数值模型，对射频容性耦合碳氟等离子体放电进行系统的研究。重点考察不同外界控制参数（电源参数、气体参数）下，碳氟等离子体中活性粒子的化学反应机制以及等离子体特征参量（如粒子密度、通量等）的变化情况，揭示不同碳氟等离子体放电的内在规律性及差异性，探索刻蚀工艺的最佳参数窗口。为实现大面积均匀刻蚀加工，研究腔室结构参数（极板间距、半径、绝缘环参数）对等离子体均匀性的调制作用。最后，采用多种实验诊断方法对等离子体参数进行测量，将模拟结果与诊断结果进行对比，验证模拟结果的可靠性。

容性耦合碳氟等离子体被广泛应用在超大规模集成电路的材料刻蚀工艺中。如何获得更高刻蚀速率、各向异性、刻蚀选择性和均匀性的等离子体以及降低晶圆损伤是刻蚀工艺研究中的热点和难点。首先，建立同时包含等离子体、中性气体、电磁场以及化学反应的多场耦合数值模型，对容性耦合电正性等离子体放电过程进行模拟，并将计算结果与实验结果进行对比，验证了模型了准确性。随后将模型进行拓展，实现了对容性耦合碳氟等离子体的数值模拟仿真，并结合多种实验诊断方法研究了放电参数对容性耦合碳氟等离子体特性的影响。研究表明，随着Ar含量的降低，碳氟等离子体电负性逐渐升高，电子密度也显著下降。随着气体比例的改变，各个粒子的空间分布和密度都有不同程度的变化。为获得高密度均匀等离子体，研究了环形电极对容性耦合等离子体的影响。结果表明，采用环形电极，相比于传统平行板电极放电，等离子体密度增长，并且随着孔槽的直径、深度和形状的改变，等离子体密度有不同程度的增加。通过调节环形电极孔槽的尺寸、数量和形状，研究了大面积容性放电中环形电极对等离子体密度大小和均匀性的调控。研究结果为工业上大面积等离子体刻蚀工艺的优化和控制提供科学依据。