双线圈射频感性耦合等离子体源的电源参数对等离子体均匀性及组分调节机制的研究

For the next generation wafer etching process with 450 mm diameter and 3 nm etching linewidth, the uniformity and anisotropy of the etching process are the key issues in the microelectronics industry. The dual antenna is applied in inductively coupled plasma (ICP) source to avoid the standing wave effect caused by the long coil, and modulate the discharge in different radial positions by adjusting the source parameters of the inner and outer coil, respectively. So the dual antenna ICP source is expected to be applied in large area plasma etching process. In this project, a numerical model will be built for dual frequency dual antenna ICP source. A two dimensional fluid model is developed to investigate the effect of the source parameters of dual antenna, e.g., power, frequency, phase shift for inner and outer coil, on the plasma uniformity and plasma composition. Moreover, by observing the electron density, electron temperature and electron energy distribution at different radial positions under different sources parameters, the internal mechanism of source parameters adjusting plasma characteristics is analyzed. By comparing the simulation results with experimental diagnostic results, the reliability of the obtained conclusions is further verified, and the theoretical basis for the optimization of large area and narrow linewitdth etching process is provided.

针对下一代晶元直径为450 mm、刻蚀线宽为3 nm的晶片刻蚀工艺，如何实现均匀的各向异性刻蚀，是制约微电子工业发展的关键问题之一。在射频感性耦合等离子体（Inductively coupled plasma, ICP）源中采用双线圈不但能够避免线圈长度增加导致的驻波效应，还可以通过控制内外线圈的电源参数调节不同空间区域处的放电强度，双线圈ICP源有望被应用于大面积等离子体刻蚀工艺中。本项目将针对双频双线圈的ICP源，建立一套多场耦合的二维流体力学模型，系统地研究双线圈的电源参数，如内外线圈的功率、频率和相位等，对等离子体均匀性及活性粒子组分的调节机制。另外，在实验上观察不同电源参数下不同空间位置处的电子密度、电子温度及电子能量分布，分析电源参数对等离子体特性调节的内部机理。并将模拟结果与实验诊断结果进行比较，验证研究结论的可靠性，进而为大面积、窄线宽刻蚀工艺的优化提供理论依据。

针对下一代晶圆直径为450 mm、刻蚀线宽为 3 nm的晶片刻蚀工艺，如何实现均匀的各向异性刻蚀，是制约微电子工业发展的关键问题之一。本项目针对射频感性耦合等离子体（Inductively coupled plasma, ICP）源，建立了包含等离子体模块、电磁场模块、化学反应模块、鞘层模块、参数输入模块及结果输出模块的多物理场流体力学模型；并开发了针对双线圈ICP源的流体+电子蒙卡混合模型。针对平面+柱状双线圈ICP源，从模拟上研究了线圈之间的电流比及相位差对等离子体均匀性的影响。研究表明，针对双线圈电流均为10 A产生的等离子体密度最大值出现在径向边缘的情况，通过增大平面线圈的电流或增加平面/柱状线圈电流之间的相位差均可得到空间均匀分布的等离子体。此外，采用流体+电子蒙卡混合模型，从模拟上得出内部低频线圈电流增大时，腔室中的高能电子数增加；外部高频线圈电流增大时，腔室中的低能电子数量增加。本项目通过模拟还发现，当双频电源叠加后施加在同一线圈时，改变低频电源的频率和低频/高频电源的电流比也有望成为大面积射频感性耦合等离子体源中调控等离子体均匀性的方法。本项目还进一步考察了线圈结构和介质窗结构对等离子体空间分布的影响。研究发现，针对常规的平面线圈平面介质窗结构的等离子体源，等离子体密度最大值通常出现在腔室中心，而通过增加内部线圈的轴向坐标或径向坐标，或改变介质窗阶梯结构的径向位置均可得到均匀分布的等离子体。最后，针对含有偏压的ICP源，研究了电源功率、单频偏压功率和双频偏压功率对等离子体空间分布的影响。研究表明，当电源功率较低时，增大单频偏压的功率或增加高频/低频偏压的功率比均对体区等离子体空间分布具有较大影响；然而，当电源功率较高时，改变单频偏压功率或高频/低频偏压的功率比对体区等离子体的空间分布影响不大。本项目的研究深化了人们对电源参数对等离子体空间分布影响的认识和理解，可以为低温射频感性耦合等离子体源在半导体刻蚀领域的有效应用提供必要的参数选择依据和理论指导。