低温等离子体蚀刻技术世纪初的三国演义

基于平行板蚀刻机的设计理念，20世纪90年代出现了电感式、双射频电容式以及微波等来激发等离子体的商用蚀刻机台。3家主流蚀刻机台厂商包括美国应用材料(AMAT)公司、美国泛林半导体(LAM)公司和日本东京电子(TEL)公司。AMAT公司首次在RIE基础上，在上电极设置球面螺旋线圈来电感式激发等离子体( Inductively Coupled Plasma，CP)，第一次实现了等离子体密度和要击晶圆表面能量的分别控制。后续这种设计由尹志尧博土演化为立式环状线圈以解决激发能量均匀度问题。LAM公司在此基础上把立体的环绕线圈改装成平面旋线圈，这种设计被称为变压器耦合等离子体( Transformer Coupled Plasma，TCP)虽然TCP和ICP极为相似，但是由于设计结构的差异导致平面螺旋线圈式设计的内在电容性比例偏高，从而导致其磁通量偏低。这在脉冲技术使用上产生的差异不可忽视，特别是在同步脉冲技术中。从逻辑90～28nm， LAM ICP机台不断配备了加热恒温上电极，下电极分区独立控温设计，蚀刻腔周边特气引入和单品圆预膜概念。因此十余载一骑绝尘，一直是硅蚀刻的主力机台，其静电卡盘( Electrostatic Chuck，ESC)的设计已臻化境，在28nm以下可以在一片300mm晶圆上实现上百个区域不同温度同时控制の，再配以相应的蚀刻气体，可以实现鳍式晶体管中多晶硅表面的平组化。LAM公司的竞争对手AMAT公司在200mm300mm阶段因重点放在存储器(DRAM)产品上，导致其在65nm逻辑硅蚀刻产品线几乎全线退出江端直到其同步脉冲技术机台Mesa系列于2009年推出，才在28nm排及以下涅案重生。此外前段(金属互连为后段)小众机台成名的有日本日立机台( Hitachi)公司借助2.45GHx微波的电子回旋共振等离子体蚀刻机(ECR)，ECR使刻概念早出现于1977年，由于其内在结构的复杂性及随着晶圆尺寸增大产生的蚀刻均匀性的问题，20世纪末逐步淡出主流市场，常见于高校等离子体特性的研发。直到2012年 Hitachi公司针对28nm推出8190XT，首次使用了微波/射同步脉冲技术，并在450mm晶圆上均匀性无忧，使其在逻辑28nm及以下重新露头角。此外，日本芝浦机电( Shibaura)公司的CDE-300是微波激发等离子体然后远程扩散到品圆表面，实现超低电子温度各向同性蚀刻，在平面晶体管的先进制程中有所应用。该机台的另外一个特殊用途是多晶硅侧壁粗糙度的改进，类似于SiOF在四陷处高集，然后选择性地去掉暴露的多晶硅。2005年韩国十大发明之一的自适应耦合( Adaptively Coupled Plasma，ACP)蚀刻机具有实心板平面顶部线圈的设计(如图1.3所示)，这种设计介于1CP和CCP之间，可以在较低的射频功率下激发等离子体，电子温度相对较低，在多晶硅蚀刻时对硅衬底的损伤会显著降低。不过由于推出较晚，目前还很难在竟争愈发激烈的主流市场中占有一席之地。ICP蚀刻制程占整个蚀刻制程[CP/(ICP+CCP)]比例已经从21世纪初的30％上升到28nm以下的50％，这是因为前段工艺复杂性的不断增加，如双图形蚀刻、硅沟槽蚀刻、的量去除蚀刻等，以及后段金属硬掩膜定义沟槽技术的使用(从逻辑45nm开始)钨通孔蚀刻以及铝/铜(逻0.13m开始使用铜互连)互连孔沟槽介电材料蚀刻也是3家主流蚀刻机台厂商(AMAT/LAM/TEL)在CCP机型上的长期拉锯战。ICP是通过射频磁场来激发等离子体，而CCP则是在RIE基础上再增加一到两个射類源，通过射电场来激发等离子体，即电容性耦合激发。虽然CCP配备了两个或三个不同射频源，但还是无法实现等离子体密度和正粒子聂击晶圆表面能量完全独立的控制。在逻辑65nm侧墙蚀刻研发中就发现ICP机台要远优越于CCP，这可以归结为ICP良好的均匀性以及较弱的对硅衬底的损伤初期的 TEL CCP机台 SCCM S.E.Plus，只是在平行板腔体上下各有一个射類源。到2006年推出的 SCCM Jin-Ox，首次引入了直流叠加( DC superposition)技术，这个技术为后来的直流脉冲技术打下了坚实的基础。相对应的 LAM CCP Flex系列则从下电极板配备两个不同類率射频源，升级为3个不同频率射频源。其中高類用于控制等离子体密度，低频用于控割等离子体菱击品圆能量，中间類率改善离子能量分布。在逻辑65nm这一技术节点，由于TEL控制粒子击能量依赖于2MHz射频源以及其较大的腔体空间，在侧壁粗糙度以及均匀度方面略逊于同期的 LAM CCP Flex。到了逻45nm阶段，由于整个互连技术制程从图形化方法单一底部抗反射层转换成3层图形化方法以克服光阻厚度不够的问题，同时TEL公司推出的 Vigus机台将低频射频改成13.56MHz并采用高退侧壁改均匀度回题所以在逐科45 nm TEL在互连沟槽蚀刻方面尽显优势。由于在逻辑45nm主流互连制程还是孔和沟槽分别蚀刻成型，所以LAM公司和TEL.公司在互连制程方面还算平分秋色。到了逻辑28nm技术，由于一站式(A1IO)蚀刻的广泛推广，尽管 LAM CCP Flex配备了脉冲技术(US9105700)TEL Vigus依然在28nm及以下的金属互连制程中占据了绝对优势。LAM公司则是利用ICP机台在互连金属硬掩膜蚀刻续写辉煌。AMAT公司在做钝化层等蚀刻方面因价格低仍保有一席之地。20090年曾用CCP机台 Enabler E5来做顶层沟槽蚀刻。该机台配有一个超高射频源( Very High Frequency)，采用磁场来控制离子通量分布。随着中微半导体CCP机型的