第一原理化學(xué)反應(yīng)流模型的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

引言

本研究的目的是開(kāi)發(fā)和應(yīng)用一個(gè)數(shù)值模型來(lái)幫助設(shè)計(jì)和操作CDE工具，為此，我們編制了第一個(gè)已知的NF3/02氣體的等離子體動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)蝕刻速率數(shù)據(jù)的比較，實(shí)現(xiàn)了模型驗(yàn)證。此外，該模型通過(guò)改變總流量、壓力、等離子體功率、氧流量和輸運(yùn)管直徑來(lái)確定CDE系統(tǒng)的可運(yùn)行特性，蝕刻速率和不均勻性與各種輸入和計(jì)算參數(shù)的相關(guān)性突出了系統(tǒng)壓力、流量和原子氟濃度對(duì)系統(tǒng)性能的重要性。

我們組裝了一個(gè)化學(xué)反應(yīng)流模型，以包括每個(gè)CDE組分中重要的化學(xué)和物理現(xiàn)象(圖1)，即等離子體源、輸送管、淋浴器頭、工藝室，CDE模型從一個(gè)組件到下一個(gè)組件連續(xù)地跟蹤氣體流動(dòng)，每個(gè)組件模型的輸出作為下一個(gè)模型的輸入，該模型在每個(gè)組分中都包含了重要的物理和化學(xué)苯元素，中間結(jié)果包括等離子體源施加器的侵蝕率和通過(guò)輸送管和工藝室的氣相濃度。

圖1

對(duì)蝕刻速率和不均勻性的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了完整的CDE模型，表面化學(xué)被包括用來(lái)解釋表面蝕刻劑和帶電物種的損失，在源區(qū)，采用化學(xué)轟擊和離子轟擊的石英蝕刻，以及表面重組和電荷交換，通過(guò)淋浴頭和工藝床的流動(dòng)在化學(xué)上比通過(guò)等離子體源和輸送管更簡(jiǎn)單。

等離子體功率沉積是電子能量方程的一個(gè)源項(xiàng)，它導(dǎo)致了等離子體中的電離和解離水平。氣體溫度是由對(duì)外部環(huán)境的熱損失和從中性的第三體化學(xué)重組中獲得的。我們預(yù)測(cè)了物種通過(guò)運(yùn)輸管的變化，包括帶電物種濃度隨距離的變化，輸運(yùn)管中發(fā)生的重要酚體是氣相和表面帶電物質(zhì)的中和，以及較大流量下的可壓縮性（密度隨距離的變化），由于在傳輸管中沒(méi)有發(fā)生能量沉積，隨著流動(dòng)通過(guò)管，與電子的反應(yīng)變得不那么重要。

通過(guò)靜壓室和噴頭假設(shè)氣體組成是恒定的，對(duì)于穩(wěn)定的流量，質(zhì)量流量是恒定的，平均氣體速度是通過(guò)平衡輸送管的流量和離開(kāi)計(jì)算出的腐蝕室壓力的流量來(lái)給出的，利用化學(xué)反應(yīng)流模型預(yù)測(cè)了中性物種從噴頭到晶圓的運(yùn)輸以及由此產(chǎn)生的蝕刻速率和不均勻性。

討論和結(jié)果

對(duì)各種操作條件和輸送管直徑進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果分為兩部分表示。第一種是直接比較兩種操作條件和兩種晶圓類(lèi)型的計(jì)算和測(cè)量結(jié)果，第二項(xiàng)是輔助研究，以確定操作條件和幾何變化對(duì)CDE性能的影響，除了預(yù)測(cè)蝕刻速率，該模型還產(chǎn)生其他有助于理解CDE系統(tǒng)行為的信息，輸送管的計(jì)算給出了物種濃度、壓力和速度沿管長(zhǎng)度的變化，預(yù)測(cè)的運(yùn)輸管下的主要中性物種變化如圖所示2a為NF3/02條件，優(yōu)勢(shì)種的摩爾分?jǐn)?shù)分別為02和F，各約為35%，三氟化氮和N2各約為8%，SiT4、NF2和NFO各約為3%。所有這些物質(zhì)的濃度都在運(yùn)輸管中略有變化。只有f2，摩爾分?jǐn)?shù)小于1%，顯示運(yùn)輸管長(zhǎng)度有任何顯著變化。

圖2

二維蝕刻室計(jì)算的詳細(xì)結(jié)果如圖所示3,原子氟重組到F2發(fā)生在除晶圓外的所有表面，其中多晶硅被氟原子蝕刻形成四氟化硅,圖3a顯示了通過(guò)腔室的原子氟濃度和氟化原子通量線(xiàn)。在圖中3b給出了所得到的多晶硅蝕刻速率曲線(xiàn),如果蝕刻速率均勻，則通量線(xiàn)將均勻間隔地與晶片相交。通量線(xiàn)向晶片邊緣的偏轉(zhuǎn)是由于蝕刻室中對(duì)流和擴(kuò)散的復(fù)雜相互作用，從而形成了中心-快速的蝕刻速率曲線(xiàn)。

圖3

通過(guò)預(yù)測(cè)蝕刻速率和不均勻性作為源功率、壓力、流量和輸送管直徑的函數(shù)來(lái)計(jì)算CDE系統(tǒng)的性能特性,非基線(xiàn)條件的選擇是基于它們改變?cè)粗性臃a(chǎn)的能力。這是通過(guò)對(duì)NF3/o2plas-mas的參數(shù)研究來(lái)完成的，以確定在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，改變過(guò)程變量（流速、壓力和源功率）對(duì)離開(kāi)等離子體源的原子氟的影響。

通過(guò)降低壓力，原子氟的產(chǎn)生會(huì)最大化，由于淋浴頭流幾乎堵塞，這將產(chǎn)生堵塞流的效果。因此，我們選擇了較高的確定精度來(lái)研究源壓力對(duì)蝕刻速率的影響。如前所述，選擇除壓力外的非基線(xiàn)條件是為了增加原子氟的產(chǎn)量，然而，每一種非基線(xiàn)條件，包括加壓，都導(dǎo)致蝕刻率的增加。即使增加源壓力，降低了源出口和F的質(zhì)量流量；我們發(fā)現(xiàn)，壓力增加對(duì)蝕刻室運(yùn)輸?shù)挠绊憰?huì)過(guò)度補(bǔ)償Xr最大化蝕刻速率的下降。因此不能僅僅通過(guò)考慮源輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。

氧化物和聚蝕刻結(jié)果在蝕刻速率和不均勻性方面有相似的趨勢(shì)，但兩種晶片類(lèi)型對(duì)工藝條件的依賴(lài)性略有不同。這些聚和氧化物蝕刻酸反應(yīng)的差異為優(yōu)化CDE工具的蝕刻選擇性提供了重要的信息。在非均勻性條件下，蝕刻速率響應(yīng)等離子體源條件也觀(guān)察到類(lèi)似的變化。

除了提供關(guān)于整個(gè)CDE工具中物種分布的詳細(xì)信息外，該模型還可用于提供一般系統(tǒng)性能與操作參數(shù)的相關(guān)性。一般來(lái)說(shuō)，蝕刻速率和不均勻性隨等離子體源壓力、總流量和nf0流量的降低而變化。等離子體源功率對(duì)蝕刻速率和均勻性的影響最小，對(duì)等離子體源輸出的影響也最小，利用表中的等離子體源壓力和流量，顯示了與表lila中三個(gè)最重要的自變量的相關(guān)性。

由于蝕刻室上游的所有效應(yīng)都包含在這種相關(guān)性中，因此通過(guò)XF，運(yùn)輸管箱也包括在內(nèi)，壓力、進(jìn)口質(zhì)量流量和XF對(duì)蝕刻速率有正的影響，這與蝕刻機(jī)制相一致，該機(jī)制通過(guò)增加晶片表面原子氟的濃度而增強(qiáng)，該相關(guān)性預(yù)測(cè)蝕刻率和不均勻性?xún)?yōu)于1%。

使用等離子體條件和蝕刻條件的聚蝕刻速率的三個(gè)變量相關(guān)性，使用等離子體條件和蝕刻條件的聚蝕刻速率不均勻性的三個(gè)變量相關(guān)性。在固定的流速下，壓力的增加會(huì)導(dǎo)致流速的降低，因此徑向擴(kuò)散變得更加重要，不均勻性的增加。在恒壓條件下，增加流量會(huì)增加流速，導(dǎo)致徑向擴(kuò)散的重要性降低，從而使不均勻性降低。擴(kuò)散對(duì)對(duì)流的相對(duì)重要性，因此其不均勻性與蝕刻劑的摩爾分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)。

在預(yù)測(cè)和測(cè)量的晶片蝕刻速率之間的直接比較顯示，基線(xiàn)操作條件的模型精度在10%以?xún)?nèi)，非基線(xiàn)操作條件的模型精度在30%以?xún)?nèi)。

本研究的結(jié)論是：第一原理化學(xué)反應(yīng)流模型可用于預(yù)測(cè)NF3/0 2 化學(xué)下游蝕刻系統(tǒng)中多晶硅和二氧化硅晶片的蝕刻速率和均勻性，蝕率和不均勻性可以與操作參數(shù)相關(guān)聯(lián)，在工藝設(shè)計(jì)中是有用的。在蝕刻室條件下，得到了蝕刻速率和不均勻性的良好相關(guān)性，這應(yīng)該允許基于組合等離子體源、傳輸管和噴淋頭組件的輸出來(lái)預(yù)測(cè)CDE的性能。聚蝕刻傾向于對(duì)流限制，因此蝕刻速率取決于壓力、質(zhì)量流量和蝕刻摩爾分?jǐn)?shù)，而氧化物蝕刻受到表面反應(yīng)速率的限制，因此比聚蝕刻更依賴(lài)于壓力，更少依賴(lài)于流動(dòng)速率。在較低的壓力和較高的流量下，提高了缺口的均勻性。

　　審核編輯：湯梓紅