等離子體刻蝕設(shè)備作為集成電路制造的圖形化工藝中與光刻機(jī)比肩的關(guān)鍵設(shè)備,其設(shè)備開發(fā)和工作原理涵蓋多個學(xué)科及工程領(lǐng)域。近年來,隨著集成電路特征尺寸的減小,等離子體刻蝕設(shè)備的重要程度更為突出。

早期的等離子體反應(yīng)器是桶式，晶圓放置在帶有外部電極（或線圈-圖 1）的石英室中。將適當(dāng)?shù)臍怏w引入室中，同時在電極兩端施加射頻以產(chǎn)生等離子體。這些刻蝕機(jī)雖然足以去除光刻膠，但缺乏晶圓溫度控制，并且至少最初存在刻蝕均勻性差的問題，而這對器件加工至關(guān)重要。

圖1 桶式反應(yīng)器。晶圓被安裝在石英舟上，石英舟通過左側(cè)的門插入石英管中。抽真空后，啟動氣體流動，隨后向環(huán)繞石英管的線圈施加射頻功率。

直到平板反應(yīng)器被引入，等離子體刻蝕才成為一種可行的生產(chǎn)替代方案，取代了圖案化中的濕法刻蝕。早期用于圖案轉(zhuǎn)移的刻蝕工具是二極管反應(yīng)器，主要有兩種結(jié)構(gòu)。

一種是，晶圓放置在接地的電極上，而射頻施加在相對的電極上，稱為“等離子體反應(yīng)器”，如圖2(a)。等離子體反應(yīng)器要在相對較高的壓力 （數(shù)百毫托）下運行，兩個電極面積大致相等。

另一種結(jié)構(gòu)是，晶圓放置在射頻供電的電極上，該電極通過容性耦合到等離子體，激勵頻率為13.56 MHz，相對的電極接地，且供電電極面積小于接地電極，被稱為“反應(yīng)離子刻蝕機(jī)”（RIE），如圖2(b)。反應(yīng)離子刻蝕機(jī)在較低壓力下運行，而且由于兩個電極的不對稱性，同時結(jié)合使用阻斷電容器，導(dǎo)致較?。ㄍǔＪ枪╇姡╇姌O上產(chǎn)生負(fù)的直流自偏壓。這種結(jié)構(gòu)能夠使較小的電極比大電極獲得大得多的鞘層電勢，這導(dǎo)致放置在較小電極上的基底受到更高能量的離子轟擊，從而實現(xiàn)各向異性刻蝕。

圖2.平行板反應(yīng)器：(a)“等離子體模式”——晶圓置于接地電極上；(b)“反應(yīng)離子刻蝕模式”——晶圓置于射頻供電電極上。

隨著晶片尺寸的不斷增加以及刻蝕結(jié)構(gòu)尺寸的不斷減小,以及為了獲得更高的等離子體刻蝕速率，因此獲得更高密度的等離子體成為當(dāng)時技術(shù)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)。

磁場增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕（MERIE）成為第一個用于提高刻蝕系統(tǒng)等離子體密度的方法。在傳統(tǒng)的RIE中，加上永久磁鐵或電磁線圈，電子在此磁場中，將以螺旋方式移動，會減少電子因撞擊腔壁而造成的損失，增加電子與離子碰撞的機(jī)會,從而產(chǎn)生更高密度的等離子體。如圖3所示。

圖3 磁場增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備

然而因為磁場的存在,使離子與電子偏折方向不同而分離,造成不均勻及天線效應(yīng)的發(fā)生。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,磁場增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕的應(yīng)用受到明顯的限制。為此,開發(fā)了等離子體密度更高的電子回旋共振( ECR) 等離子體技術(shù)。

ECR 刻蝕機(jī)通過給微波放電系統(tǒng)施加一個穩(wěn)定的磁場B,可以在不需要微波諧振腔的條件下產(chǎn)生高密度等離子體,這是因為加了磁場后,在等離子體中的某個區(qū)域,外加電磁場的頻率恰好等于電子回旋頻率ω= eB/m(其中,e是電子電荷,m 是電子質(zhì)量) ,此時,電磁波和回旋運動的電子之間發(fā)生共振相互作用。如圖4所示。

圖4 ECR 等離子體刻蝕設(shè)備

但是，ECR刻蝕機(jī)需要在機(jī)臺外面放置一個大的磁場線圈以形成回旋共振需要的強(qiáng)磁場,使刻蝕機(jī)臺占地面積過大。為此,開發(fā)了電感耦合等離子體密度技術(shù)（ICP）。

ICP刻蝕機(jī)臺沒有ECR設(shè)備中的外加強(qiáng)磁場結(jié)構(gòu),其通過電感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與ECR產(chǎn)生相當(dāng)?shù)母呙芏鹊入x子體,結(jié)構(gòu)簡單, 它還具有可以相對獨立控制等離子體密度和離子能量的優(yōu)點 ,見圖 5。

圖5 ICP 等離子體刻蝕設(shè)備

早期的電容耦合等離子體（CCP）刻蝕設(shè)備是在電極上接入單一射頻電源的同時實現(xiàn)對等離子體密度和入射到基片上的離子能量的調(diào)控。如果想要獲得一個高密度的等離子體,就會在獲得高密度的活性粒子的同時,產(chǎn)生大量高能離子,因此不可避免地增加等離子體的能量,即離子束流和能量存在緊密耦合。因此, 很難在得到一個高反應(yīng)性的等離子體,實現(xiàn)以化學(xué)為主要機(jī)理的蝕刻過程的同時,又減少離子轟擊造成的負(fù)面影響。為了獲得同時具有很高離子密度又具有低離子能量的等離子體,發(fā)展出了多頻率的CCP刻蝕系統(tǒng),如圖6所示 ,期望用高頻控制等離子體的密度,用低頻控制離子能量。

圖6 CCP 等離子體刻蝕設(shè)備

等離子體刻蝕應(yīng)用于集成電路制造工藝的發(fā)展歷史以開發(fā)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)各種物理化學(xué)參數(shù)的控制能力為標(biāo)志,如圖7所示。

圖7 等離子體刻蝕發(fā)展路線

從早期的筒形/平板形刻蝕機(jī),到20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的RIE/CCP,再到目前廣泛應(yīng)用的ECR、ICP和多頻CCP刻蝕機(jī),其驅(qū)動力都是器件尺寸持續(xù)縮小的制造需求。