射频容性耦合硅烷混合气体放电中等离子体化学的数值模拟

发布时间：2020-10-19 13:01

　　 容性耦合硅烷混合气体放电在沉积与芯片相关的硅基薄膜中具有至关重要的作用。研究容性耦合硅烷等离子体特性以及其放电化学反应机理过程对优化硅烷放电特性、开发芯片新工艺流程具有非常重要的意义。数值模拟方法是研究容性耦合等离子体的重要手段之一,常用的数值模拟方法为流体力学方法,流体/MC(MonteCarlo)和粒子模拟(Particle-In-Cell/Monte Carlo,PIC/MC)。与其他方法相比,流体模拟既可以获得等离子体中粒子的输运过程又兼容大量的化学反应而成为研究复杂化学反应等离子体的重要工具,尤其在涉及几百个化学反应的复杂硅烷等离子体中具有不可替代的作用。另外,在硅烷放电中,尘埃颗粒在合适的放电条件下不可避免地出现,而且足够多的尘埃颗粒必然会改变硅烷等离子体的放电特性,因此很有必要通过数值模拟方法探讨尘埃与等离子体之间的相互作用。本章内容安排如下:第一章为绪论,介绍了沉积与刻蚀工艺面临的一些挑战,论述了在容性耦合等离子体中所涉及的一些关键研究方向,阐述了相关硅烷混合气体放电的研究进展,同时总结了在硅烷放电中尘埃颗粒的研究概况。在第二章中,首先介绍了描述等离子体状态的二维流体方程以及相应的数值算法。随后,针对SiH4/N20/Ar混合气体放电过程,采用二维流体模型研究了 Ar或者SiH4气体含量对等离子体特性的影响。模拟结果显示,Ar亚稳态原子的轴向密度在低气压下满足抛物线分布而在高气压下会形成双峰结构,而其他粒子的轴向密度分布不具备双峰结构。另外,在此混合气体中,增加Ar含量可以提高等离子体中的电子密度,而降低Ar含量可以降低到达极板处的轰击能量以及改善等离子体径向均匀性。若固定Ar含量,减小硅烷含量可以在不增加轰击能量的基础上对等离子体均匀性进行调节。另外,通过分析到达极板处的中性粒子通量,发现SiH3、O、SiH2、SiH30和SiO等粒子通量较大,这些粒子可能是沉积氧化硅薄膜的主要气相前驱物。在第三章中,针对由SiH4/N2/02气体维持的容性耦合等离子体,采用二维流体模型研究了放电腔室中引入介质层对等离子体径向均匀性的影响。同时,通过改变外部放电参数系统化地学习了此混合气体可能的气相化学沉积前驱物。研究结果表明:当施加介质层到驱动电极以后,等离子体的边缘效应被有效地抑制,从而使等离子体的径向均匀性改善。通过分析沉积功率密度的空间分布,发现边缘效应并未完全消除。另外,与改变气压或者极板间距改善等离子体均匀性的方法相比,加入介质层可以代替上述两种方法实现对等离子体均匀性的调控。最后,通过分析在不同放电条件下各粒子极板处通量的变化趋势,发现沉积薄膜的主要前驱物是SiH3O、SiH2O、O、N和NO,而不是SiN和 HSiNH2。第四章,采用二维流体模型模拟了脉冲调制射频容性耦合SiH4/N2/O2等离子体。我们主要调研了脉冲参数对SiH4/N2/O2等离子体特性的瞬时调制作用以及对径向空间分布的影响。模拟结果显示:在脉冲调制射频等离子体中,电子、正离子和负离子可以获得类似于连续放电的准稳态过程,其中准稳态不仅仅依赖于脉冲放电时间而且也依赖于所观察的放电位置。在脉冲开启阶段,电子温度、电子密度以及电子碰撞源项会分别形成相应的极大值,其中电子密度在达到极大值之前由于电子产生项小于扩散损失项会出现极小值。另外,尽管脉冲放电可以降低极板处的轰击能量,但是在脉冲开启时仍然会形成一个瞬时高能峰。此高能峰可能损害基片上薄膜的性能。最后,脉冲调制射频等离子体可以在脉冲后辉光期减弱边缘效应,增强等离子体的扩散作用使平均等离子体密度的径向空间均匀性得到较大改善,其中脉冲占空比是改善等离子径向均匀性最有效的方法。第五章,采用流体/蒙特卡罗方法耦合尘埃模型,研究了尘埃与等离子体之间的相互作用。模拟结果显示:尺寸较大的尘埃颗粒加入等离子体中将导致电子密度下降,电子温度上升。而且,足够多的大尘埃颗粒可以弓引起正离子和负离子密度在形成稳态之前出现短暂的上升,随后由于电子密度下降或者尘埃颗粒对离子的吸收促使离子密度下降。此外,在尘埃颗粒对等离子体影响较小的情况下,硅烷等离子体中的放电模式是α和反转场模式共存。降低气压、频率以及电压可以减弱反转场模式。然而,当尘埃颗粒半径逐步增大,硅烷等离子体由体区电场维持的体区模式增强。最后,我们也分析了外部参数对尘埃颗粒的空间分布以及施加在尘埃粒子上的电场力和离子拖拽力的影响。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O53
【部分图文】：

?大连理工大学博士学位论文???１绪论??１．１低温等离子体技术在芯片加工中的应用与面临的挑战??低温等离子体在芯片制造工业中是非常重要的一架“马车”，它已被广泛应用于芯??片制造中的沉积、刻蚀以及离子注入掺杂等工艺。图１．１显示了典型的芯片加工工艺：??在晶片上首先采用等离子体增强化学气相沉积技术（Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ?Ｃｈｅｍｉｃａｌ?Ｖａｐｏｒ??Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＥＣＶＤ）沉积绝缘薄膜（沉积工艺）；第二步，把携带金属掩膜的光刻胶覆盖??在绝缘薄膜表面，采用光刻机对未被掩膜覆盖的光刻胶刻蚀形成带有图案的光刻胶掩膜；??第三步，利用等离子体刻蚀技术把光刻胶掩膜图案转移到绝缘薄膜（刻蚀工艺）；第四步，??去除绝缘材料上的光刻胶、残余物和颗粒；第五步，在绝缘薄膜表面，采用等离子体溅??射金属靶沉积导电薄膜，上述工艺过程反复交替执行，形成几十层相互交叉的金属和绝??缘薄膜，从而构成复杂的芯片电路，连接数以百万计的晶体管。??

??形貌发生改变，如图１．２所示。因此，在研发等离子体工艺参数时，需要最大限度地减??少等离子体刻蚀沟槽的负载效应和充电效应，以及优化等离子体中的粒子浓度以及比例。??？?’Ｖ?？＋？？？＋？?Ｐｌａｓｍａ?Ｖ严？？、？＋？？？?？?＋？？？＋??电子?离子?自由基??＆？＠?ｊｉ??黎１?，?＿?＃９??（ａ）?１?ｉｒ?＾?Ｃｃ）＂??图１．２负载效应⑻，电子阴影效应（ｂ），离子和中性粒子效应（ｃ）??Ｆｉｇ．?１．２?Ｌｏａｄｉｎｇ?ｅｆｆｅｃｔ?（ａ），ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｓｈａｄｉｎｇ?ｅｆｆｅｃｔ：ｃｈａｒｇｉｎｇ?（ｂ），ａｓ?ｗｅｌｌ?ａｓ?ｉｏｎ?ａｎｄ?ｎｅｕｔｒａｌ??ｆｌｕｘ?ｅｆｆｅｃｔ（?ｃ）??在等离子体沉积方面，控制沉积的不均匀性也非常重要。多年来，人们提出了诸多??方法改善等离子体的不均匀性分布，例如改变气流布局和腔室结构等。然而，等离子体??的均匀性除了受到放电参数和腔室结构的影响以外，对外界环境的变化也非常敏感。最??典典型案例之一是Ｌａｍ公司研发人员Ｈ在沉积薄膜的图案上发现了无法去除的定向残??余不均匀性（某一物理量的空间分布数值减去每个圆周上的平均值即可获得残余不均匀??性

１．２容性耦合等离子体涉及的若干问题??在低温等离子体领域，容性耦合等离子体源是进行沉积薄膜的主要设备之一，它??结构简单，与电路中的电容器类似。如图１．４，电源通过匹配器与电极相连，其中放电??由射频源驱动（射频源，按照电气和电子工程协会建立的分频标准，又可以细分为四个??频段：低频，３０到３００?ｋＨｚ；中频，３００到３０００?ｋＨｚ；高频，３到３０?ＭＨｚ；；甚高频，??３０到３００?ＭＨｚ）。射频容性耦合装置的放电本质是借助振荡的射频电场加速电子，随之，??高能电子电离和分解背景气体的过程，因此外界电源的绝大部分能量耦合在电子上，以??电子加热的方式为主。由于电子的惯性远远小于离子的惯性，在靠近电极附近处，电子??将被电场快速“推出”形成一段正电荷区域，即鞘层。鞘层边缘在射频电场的作用下做??振荡运动。振荡的射频鞘层边缘反弹快速运动的电子使其加速获得能量，这就是电子随??机加热效应［３］。随机加热在低气压下是电子加热的主导机制
【参考文献】

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1 黄亮;二氧化硅和氮化硅薄膜的原子层沉积反应机理及前驱体分子设计[D];中国地质大学;2015年

本文编号：2847234