作为目前半导体刻蚀领域中应用最为广泛的两种低温等离子体刻蚀方法,即电容耦合等离子刻蚀(Capacitively Coupled Plasma Etching,CCP)和电感耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma Etching,ICP),二者面向不同的刻蚀材料和刻蚀工艺需求体现出各自的优势,为半导体行业的发展奠定了扎实的基础。以下分别对这两种低温等离子体刻蚀方法进行介绍。

(1) 电容耦合等离子体刻蚀(CCP)

电容耦合等离子体技术起源于20世纪60年代,当时该技术主要用于等离子体表面处理和气体放电实验。随着芯片尺寸的不断缩小,CCP技术在半导体领域的应用逐渐从简单的表面处理扩展到对复杂结构和微小尺寸的高精度刻蚀。研究如何提高等离子体密度、增强刻蚀的选择性和精度成为CCP技术发展的关键。

CCP技术的核心在于通过电容耦合的方式,在电极间形成高频交变电场,加速自由电子,使其与气体分子碰撞并发生电离,从而产生等离子体。最初的单频电容耦合等离子体刻蚀(CCP)系统是在反应腔体的下极板施加射频电源(频率通常为13.56MHz)。由于系统中电子与气体分子之间的碰撞频率较高,导致等离子体的密度相对较高。此时,鞘层中由于低电子密度和电场的非均匀性,导致离子的加速方向性较差,从而影响刻蚀的各向异性效果。随着刻蚀精度要求的提高,双频电容耦合等离子体刻蚀技术逐步取代这种单频电容耦合等离子体刻蚀技术,如图1所示。

图1 电容耦合等离子体源示意图: (a)单频; (b)双频 

双频电容耦合等离子体设备是在上下电极分别施加高频电源和低频电源。高频电源主要用于激发电子与气体分子之间的碰撞电离,从而维持等离子体的生成。低频电源则用于调节离子的能量,并通过控制鞘层的电场来间接影响离子的加速方向。这样能够分别控制离子的密度、能量以及入射角度,从而提高刻蚀的效率、精度以及各向异性和方向性。

然而,随着微纳米刻蚀精度和刻蚀选择性要求的不断提高,传统的电容耦合等离子体刻蚀(CCP)技术逐渐暴露出一些不足之处,例如等离子体密度较低、刻蚀速率慢、离子能量控制不精确等问题。为了解决这些问题,电感耦合等离子体刻蚀(ICP)技术应运而生。

(2) 电感耦合等离子体刻蚀(ICP)

ICP反应器因其高等离子体密度和良好的沉积均匀性而广泛用于微电子器件制造。ICP刻蚀技术的核心优势是通过射频(RadioFrequency,RF)电源产生电磁场感应激发等离子体,无需直接电极接触。这种方式使得ICP能够在低压环境下生成高密度的等离子体,避免了传统容性耦合等离子体技术中可能出现的电极腐蚀问题,并且能较为精确地控制离子能量和刻蚀过程。早期的ICP刻蚀机台也是通过单个射频源系统来产生等离子体,后来演化成现在主流的双射频源系统。对于双射频源的感应耦合等离子体(ICP)系统,根据线圈缠绕方式的不同,大致可分为螺旋型线圈ICP和平行香盘型线圈ICP两种,如图2所示。这两类系统结构相对简单,但能够产生高密度且高质量的等离子体,因此被广泛研究与应用。通过调整线圈的位置、尺寸和形状,可以进一步优化ICP刻蚀系统的性能。

图2 电感耦合等离子体源示意图: (a)柱状线圈ICP; (b)香盘型线圈ICP 

相较于螺旋型线圈结构ICP,平行香盘型线圈结构ICP优势更为明显。其具有结构紧凑、电感耦合效率高、等离子体分布更均匀等优势,特别适用于大尺寸晶圆的高均匀性刻蚀工艺中。在等离子体密度、刻蚀均匀性以及设备集成性方面表现更优,已成为现代ICP-RIE设备中的主流设计。