等离子体刻蚀设备的分类
除接近纯物理反应的离子溅射刻蚀设备和接近纯化学反应的去胶设备以外，等离子体刻蚀可以根据等离子体产生和控制技术的不同而大致分为两大类，即电容耦合等离子体（Capacitively Coupled Plasma，CCP）刻蚀和电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蚀。下面以电容耦合和电感耦合为主线，将等离子体刻蚀设备按其结构进行简单明了的分类[6]。
电容耦合等离子体刻蚀是将射频电源接在反应腔上、下电极中的一个或两个上，两个极板之间的等离子体形成简化等效电路中的电容，如图6.7 a所示。其特点是驱动电流I1与等离子体电流I2方向相同。最早出现的此类技术有两种，一种是早期的等离子体刻蚀，即将射频电源接到上电极，而晶圆片所在的下电极接地，如图6.8 a所示，因为这样产生的等离子体不会在晶圆片表面形成足够厚的离子鞘层，离子轰击的能量较低，通常用于硅刻蚀等以活性粒子为主要刻蚀剂的工艺；另一种是早期的反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE），即将射频电源接在晶圆片所在的下电极，而将具有较大面积的上电极接地，如图6.8 b所示。这种技术能形成较厚的离子鞘层，适用于需要较高离子能量参与反应的电介质刻蚀工艺。在早期的反应离子刻蚀的基础上，加上一个与射频电场垂直的直流磁场，形成ExB漂移，可以增加电子与气体粒子的碰撞机会，从而有效地提高等离子体浓度和刻蚀率，这种刻蚀称为磁场增强型反应离子刻蚀（Magnetron En-hanced Reactive Ion Etching，MERIE），如图6.8c所示。以上3种技术存在一个相同的缺点，即等离子体浓度及其能量无法分别控制。例如，为了提高刻蚀率，可以采用加大射频功率的方法来提高等离子体浓度，但加大的射频功率必然会导致离子能量升高，从而会造成对晶圆片上器件的损伤。近十年来，电容耦合技术都采用多个射频源设计，将其分别接在上、下电极或都接在下电极，通过对不同射频频率的选择和搭配，电极面积、间距、材料及其他关键参数相互配合，可以尽量将等离子体浓度和离子能量去耦合，如图6.8 d所示。其中，高频率射频源用于控制等离子体浓度，称为源电源；而接在下电极的低频率射频源则用于控制离子能量，称为偏压电源。但受电容耦合本身特性所限，这样的去耦合是有局限性的。另外，由于等离子体的带电粒子在极板之间随射频电场方向来回碰撞而造成动能损耗，导致无法获得高密度等离子体，这种情况在低气压条件下尤为明显。
图电容耦合和电感耦合的简化等效电路
电感耦合等离子体刻蚀是将一组或多组连接射频电源的线圈置于反应腔上部或周围，线圈中的射频电流所产生的交变磁场透过介质窗口进入反应腔，实现对电子的加速，从而产生等离子体。在简化的等效电路（变压器）中，线圈为一次绕组电感，而等离子体则为二次绕组电感（见图6.7b），其特点是驱动电流I1和等离子体电流I2方向相反。这种耦合方式能够在低气压下获得比电容耦合高一个数量级以上的等离子体浓度。此外，第2个射频电源接在晶圆片所在位置作为偏压电源，提供离子轰击能量，因此离子浓度取决于线圈的源电源而离子能量取决于偏压电源，从而达到比较彻底的浓度与能量的去耦合，如图6.8 e所示。
图6.8 8种常用的等离子体刻蚀设备的反应腔结构示意图
图6.8 8种常用的等离子体刻蚀设备的反应腔结构示意图（续）
另外还有一种更早发明并一直沿用至今的等离子体刻蚀技术，即电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance，ECR）等离子体刻蚀，如图6.8f所示。其等离子体浓度和工作气压范围与电感耦合技术相近，且应用于同类的刻蚀工艺。不同之处在于，其等离子体是通过电子在外加的磁场与导入的微波频率正好达到共振时吸收微波能量并被加速而产生的。其离子能量同样由另一个加在晶圆片位置的偏压电源控制。由于此种技术的反应腔结构相当复杂，导致结构简单得多的电感耦合技术后来居上，得到了更广泛的应用。
同时期还开发了另外两种技术，即螺旋波等离子体（Helicon Wave Plasma，HWP）刻蚀（见图6.8g）和表面波等离子体（Surface Wave Plasma，SWP）刻蚀（见图6.8h），前者因其结构与控制较复杂而未能在商业化应用中取得成功，而后者在早期也没有得到广泛的应用。但是，近年来器件尺寸的不断减小对等离子体导致的器件损伤越来越敏感，急需接近零损伤的刻蚀技术，由于SWP可以产生与ICP和ECR相近的等离子体浓度，但其电子温度却低得多，而低电子温度是降低等离子体损伤的重要手段，所以此技术又重新得到重视。
等离子体刻蚀设备
几乎所有干法刻蚀中的刻蚀剂都是直接或间接地产生于等离子体，因此常将干法刻蚀称为等离子体刻蚀。等离子刻蚀是广义的等离子体刻蚀中的一种。在早期的两种平板式反应腔设计中，一种是将晶圆片所在极板接地而另一极板接射频源；另一种则与之相反。在前一种设计方案中，接地极板面积通常大于接射频源极板的面积，而且反应腔内的气体压力偏高，在晶圆片表面形成的离子鞘层很薄，晶圆片仿佛“浸泡”在等离子体中，刻蚀主要是由等离子体中的活性粒子与被刻蚀材料表面的化学反应来完成的，离子轰击的能量很小，其参与刻蚀的程度很低，这种设计称为等离子刻蚀模式。而在另一种设计方案中，因为离子轰击的参与程度较大，所以称为反应离子刻蚀模式[7]。
图6.9 a所示为典型的平板多片式等离子刻蚀设备的简化示意图。其射频电源接在反应腔的上电极，晶圆片所在的下电极接地，金属反应腔壁一般也接地，所以接地面积大于电源电极面积，使得上电极表面的离子鞘层比晶圆片表面的离子鞘层厚得多，因而承受较大的离子轰击。上、下电极均具有冷却功能，上电极冷却是为了带走由离子轰击产生的热量，下电极冷却是为了控制晶圆片的反应温度。刻蚀气体从反应腔的上方、侧面或晶圆片底座的下方导入，经过晶圆片表面空间后，从反应腔下方被抽出，反应腔的工作压力为0.1～10Torr[1]。
图6.9 等离子刻蚀设备的简化示意图
图6.9 b所示为筒状多片式等离子刻蚀设备的示意图。反应腔体采用石英材料，腔外的半圆柱形电极分别接13.56MHz的射频电源和地，从而形成电容耦合，产生等离子体（也可以采用线圈绕在石英腔体外实现电感耦合而产生等离子体）。多个晶圆片垂直放置于一个石英舟中；刻蚀气体由反应腔下方导入，从上方抽出。晶圆片与反应腔壁之间是一个有通孔的金属圆柱状隔离层，其功能是将等离子体带电粒子局限在腔壁和隔离层之间，使得不带电的活性粒子可以通过通孔扩散至晶圆片区并与之发生反应，而带电离子基本不参与反应。这种刻蚀设备是历史上最早研制成功并在生产线上大量使用的等离子体刻蚀设备，所以业内一直将其称为等离子刻蚀设备。
由于离子轰击的参与程度很低（或为零），等离子刻蚀设备具有各向同性和刻蚀选择率较高的特点，一般用于光刻胶的去除和氮化硅刻蚀。
反应离子刻蚀设备
反应离子刻蚀（RIE）是指由活性粒子和带电离子同时参与完成的刻蚀过程。其中，活性粒子主要是中性粒子（又称自由基），浓度较高（约为气体浓度的1%～10%），是刻蚀剂的主要成分，它与被刻蚀材料发生化学反应所产生的生成物，或者挥发并被直接抽离反应腔，或者堆积在刻蚀表面；而带电离子则浓度较低（为气体浓度的10-4～10-3），它被形成于晶圆片表面的离子鞘的电场加速而轰击刻蚀表面。带电粒子的主要功能有两个，一是破坏被刻蚀材料的原子结构，从而加快活性粒子与之反应的速率；二是轰击、去除堆积的反应生成物，以使被刻蚀材料与活性粒子充分接触，从而使刻蚀持续进行。
因为离子不直接参与刻蚀反应（或占比很小，如物理性的轰击去除和活性离子的直接化学刻蚀），严格地说，上述刻蚀过程应该称为离子辅助刻蚀，反应离子刻蚀这个名称并不准确，但约定俗成而沿用至今[8]。
由于RIE必须具有离子轰击，因此其刻蚀设备的重点在于离子鞘的形成。图6.10 a所示为典型平板式RIE设备的简化示意图。由图6.10 a可见，射频电源接在晶圆片所在的下电极，上电极接地。下电极的面积一般远小于上电极的面积，反应腔的工作气压较低，一般为50～500 mTorr。因此，置于下电极的晶圆片表面会形成一个较厚的等离子体鞘，其电场对正离子的加速能量可达500 eV以上。温控基座具有冷却功能，可带走刻蚀所产生的热量，并保持刻蚀在稳定可控的温度条件下进行。喷淋头可以使气体更均匀地分布到晶圆片上。光学刻蚀终点侦测系统的应用可以减少衬底材料损失。反应腔内衬是一个便于拆装的组件，进行设备保养时仅需更换已事先清洗干净的内衬而不用现场清洗腔壁，从而大大节省保养时间，增加设备的在线率。
上述RIE也被称为二极反应离子刻蚀。为了增加刻蚀的可控性，后续开发的同类刻蚀设备在反应腔壁上增加了第2射频电源，或者将反应腔壁接地而将第2射频电源加在上电极上，形成三极反应离子刻蚀，并且逐渐演化成电容耦合等离子体刻蚀设备。
图6.10 b所示为另一种更早开发的曾经在市场上颇为风行的反应离子刻蚀设备的简化示意图，被称为六面筒式刻蚀设备。晶圆片被手动放置在一个六面柱的6个面上，每一面可放置4个晶圆片，一次可处理24个晶圆片。六面筒为阴极接射频电源，反应腔壁（钟罩）接地，接地极面积约为接电源极面积的2倍，气体由处于钟罩壁与六面柱之间的供气板喷出，抽气泵位于钟罩下方，腔内工作气压为20～100 mTorr。
图6.10 RIE设备的简化示意图
由于离子轰击具有方向性，不论是破坏原子结构，还是去除堆积物，垂直于晶圆片表面的轰击对刻蚀结构侧面的影响都远小于对正面的影响，所以刻蚀是各向异性的。此类刻蚀反应适用于线条、通孔及有一定深宽比结构的刻蚀，并由于离子轰击所造成的物理效应，它可以用于刻蚀那些采用偏化学反应的等离子刻蚀无法刻蚀的材料，如氧化硅和难熔金属[9]。
最早的RIE设备于20世纪80年代投入使用，由于采用单一的射频电源和比较简单的反应腔设计，所以在刻蚀率、均匀度和选择比等方面均存在局限性。
磁场增强反应离子刻蚀设备
磁场增强反应离子刻蚀（Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching，MERIE）设备是一种在平板式RIE设备的基础上外加一个直流磁场而构成的旨在提高刻蚀速率的刻蚀设备[10]。
随着刻蚀线宽尺寸的减小和刻蚀结构深宽比的增加，刻蚀过程中离子在轰击晶圆片的行程中必须减少与其他粒子的碰撞，以保持其方向性和能量。虽然可以通过降低工作气压以增加离子的自由程来达到减少碰撞的目的，但这样会直接导致等离子体浓度的降低，从而影响刻蚀速率。若在平板结构的基础上增加一个与离子鞘电场方向相垂直的直流磁场，在离子鞘区域或接近离子鞘区域中的电子会受到一个E ×B的漂移力，其受力方向遵循右手法则且垂直于电场和磁场，电子会沿晶圆片平面做摆线漂移，从而增加了电子存在的时间，以利于增加解离碰撞概率而增加活性粒子的浓度，如图6.11所示。另外，与反应腔壁垂直的磁力线在低气压下也可以抑制电子与腔壁的碰撞所造成的浓度损失。
图6.11 E×B漂移驱使电子沿晶圆片表面做摆线漂移
图6.12所示为MERIE设备的简化示意图。反应腔内的设计与平板式反应离子刻蚀相似。外加磁场的设计分为两类，一类是用多个磁场方向渐变的偶极子永磁铁围绕放置在圆形反应腔周围，使得反应腔晶圆片上方形成一个均匀的磁场，这种刻蚀称为偶极子环磁控管式刻蚀，如图6.13 a所示。直流磁场导致的电子漂移会造成等离子体浓度的空间分布不均匀，这个问题可以通过慢速旋转平行磁场加以解决。偶极子环磁控管式刻蚀是通过永磁体系统的机械转动来消除等离子体浓度的空间分布不均匀性。偶极子环磁控管式刻蚀的优点是刻蚀均匀性较好，其缺点是磁场大小不可调节。
图6.12 MERIE设备的简化示意图
另一类是在反应腔周围放置两对亥姆霍兹线圈来产生直流磁场，如图6.13 b所示。它是利用两对线圈内的驱动电流的相位差来消除直流磁场所导致的电子漂移造成的等离子体浓度的空间分布不均匀性，其优点是通过调节线圈驱动电流的大小及相位，可以调节磁场强度和转动速度，并可以实现一机两用（当驱动电流为零时，相当于反应离子刻蚀）；其缺点是刻蚀均匀性较差。
图6.13 外加磁场俯视图
所加的磁感应强度在晶圆片表面通常为50～200Gs[2]之间，等离子体浓度可达1010cm-2水平，工作气压为50～500mTorr。通常情况下，磁场对刻蚀速率的增强效应随气压的增加而减小。MERIE设备在生产线上的应用与反应离子刻蚀设备相似，主要用于电介质的各向异性刻蚀，它对氧化硅的刻蚀速率可达1μm/min。
MERIE设备于20世纪90年代大规模投入使用，当时单片式刻蚀设备已经成为行业主流设备。MERIE设备的最大缺点是磁场所造成的等离子体浓度的空间分布不均匀性会导致集成电路器件内的电流差或电压差，从而产生器件损伤，由于此种损伤是由瞬时不均匀性造成的，因此磁场的旋转并不能对其加以消除[11]。随着集成电路尺寸的不断缩小，其器件损伤对等离子体的不均匀性越来越敏感，以磁场增强来达到增加刻蚀速率的技术逐渐被多射频电源平板式反应离子刻蚀技术，即电容耦合等离子体刻蚀技术所取代。
电容耦合等离子体刻蚀设备
电容耦合等离子体（CCP）刻蚀设备是一种由施加在极板上的射频（或直流）电源通过电容耦合的方式在反应腔内产生等离子体并用于刻蚀的设备。其刻蚀原理与反应离子刻蚀设备类似。
CCP刻蚀设备的简化示意图如图6.14所示。它一般采用两个或三个不同频率的射频源，也有配合采用直流电源的。射频电源的频率为800kHz～162MHz，常用的有2MHz、4MHz、13MHz、27MHz、40MHz和60MHz。通常将频率为2MHz或4MHz的射频电源称为低频射频源，一般接在晶圆片所在的下电极，对控制离子能量比较有效，因此也称为偏压电源；频率在27MHz以上的射频电源称为高频射频源，它既可以接在上电极，也可以接在下电极，对控制等离子体浓度比较有效，因此也称为源电源。13MHz射频电源处于中间，一般被认为兼具上述两个功能但都相对弱一些。注意，尽管等离子体浓度和能量可以在一定的范围内分别通过不同频率的射频源的功率加以调节（即所谓的去耦合效应），但是由于电容耦合的特点，它们无法得到完全独立的调节和控制。
图6.14 CCP刻蚀设备的简化示意图
早期的反应腔工作气压为50～500mTorr，近年来针对高深宽比结构的刻蚀要求，工作气压可低至10mTorr，以增加离子的自由程，减少因碰撞所造成的能量损失。离子能量一般为100eV～10keV。出于同样的原因，近年来通过采用功率高达10kW的偏压电源，可以产生2keV或更高的离子能量，用以加强离子垂直进入极高深宽比结构底部而不发生偏移的能力。等离子体浓度一般为109～1010cm-3，在使用高频和大功率的条件下也可达1011cm-3的水平。
离子的能量分布对刻蚀的细部表现及器件损伤有着明显的影响，所以对优化离子能量分布的技术的开发成为先进刻蚀设备的重点之一。目前已成功运用于生产的技术有多射频混合驱动、直流叠加、射频配合直流脉冲偏压，以及偏压电源和源电源同步脉冲式射频输出等[12]。
CCP刻蚀设备是各类等离子体刻蚀设备中应用最广泛的两类设备之一，主要用于电介质材料的刻蚀工艺，如逻辑芯片工艺前段的栅侧墙和硬掩模刻蚀，中段的接触孔刻蚀，后段的镶嵌式和铝垫刻蚀等，以及在3D闪存芯片工艺（以氮化硅/氧化硅结构为例）中的深槽、深孔和连线接触孔的刻蚀等。
CCP刻蚀设备所面临的挑战和改进方向主要有两个方面，一是在极高离子能量的应用方面，对高深宽比结构的刻蚀能力（如3D闪存的孔槽刻蚀要求高于50:1），目前采用的加大偏压功率以提高离子能量的方法已经使用高达万瓦的射频电源，针对其产生的大量热量，反应腔的冷却和温控技术需要不断改进；二是需要在新型刻蚀气体的开发上有所突破，从根本上解决刻蚀能力的问题。
电感耦合等离子体刻蚀设备
电感耦合等离子体（ICP）刻蚀设备是一种将射频电源的能量经由电感线圈，以磁场耦合的形式进入反应腔内部，从而产生等离子体并用于刻蚀的设备。其刻蚀原理也属于广义的反应离子刻蚀。
ICP刻蚀设备的等离子体源设计主要分为两种，一种是由美国泛林公司开发生产的变压器耦合型等离子体（Transformer Coupled Plasma，TCP）技术，如图6.15所示。其电感线圈置于反应腔上方的介质窗平面上，13.56MHz的射频信号在线圈中产生一个垂直于介质窗并以线圈轴为中心径向发散的交变磁场，该磁场透过介质窗进入反应腔，而交变磁场又在反应腔中产生平行于介质窗的交变电场，从而实现对刻蚀气体的解离并产生等离子体。由于可以将此原理理解成一个以电感线圈为一次绕组而反应腔中的等离子体为二次绕组的变压器，ICP刻蚀因此而得名。TCP技术的主要优势是结构易于放大，比如从200mm晶圆片放大到300mm晶圆片，TCP可以通过简单地将线圈的尺寸增大而保持同样的刻蚀效果。
另一种等离子体源设计是由美国应用材料公司开发生产的去耦合型等离子体源（Decoupled Plasma Source，DPS）技术，如图6.16所示。其电感线圈立体地绕在一个半球形的介质窗上，产生等离子体的原理与前述TCP技术类似但气体的解离效率比较高，有利于获取较高的等离子体浓度。由于电感耦合产生等离子体的效率比电容耦合的高，且等离子体主要产生于接近介质窗的区域，其等离子体浓度基本上由连接电感线圈的源电源的功率决定，而晶圆片表面离子鞘中的离子能量则基本上由偏压电源的功率决定，所以离子的浓度和能量能够独立控制，从而实现去耦合[13]。
通常，ICP刻蚀设备的反应腔工作气压范围为1～50 mTorr（比CCP刻蚀设备的低），等离子体浓度范围为1010～1012 cm-3（比CCP刻蚀设备的高），刻蚀气体的解离率可以达到约90%。偏压电源功率一般为100 W以内，离子能量在数十eV或上百eV（近年来在低能量应用中经常会低至数十eV甚至数eV）。
图6.15 TCP型ICP刻蚀设备示意图及其等效电路
图6.16 DPS型ICP刻蚀设备示意图
ICP刻蚀设备是各类等离子体刻蚀设备中应用最广泛的两类设备之一，它主要用于对硅浅沟槽、锗（Ge）、多晶硅栅结构、金属栅结构、应变硅（Strained-Si）、金属导线、金属焊垫（Pad）、镶嵌式刻蚀金属硬掩模和多重成像技术中的多道工序的刻蚀。另外，随着三维集成电路、CMOS图像传感器和微机电系统（Micro-electro-mechanical System，MEMS）的兴起，以及硅通孔（Through Si Via，TSV）、大尺寸斜孔槽和不同形貌的深硅刻蚀应用的快速增加，多个厂商推出了专为这些应用而开发的刻蚀设备，其特点是刻蚀深度大（数十甚至数百微米），所以多工作在高气流量、高气压和高功率条件下。
ICP刻蚀设备所面临的挑战和改善方向主要有如下3个方面：
1）刻蚀后关键尺寸（Critical Dimension，CD）均匀度：大多数对CD敏感的刻蚀是由此类设备承担的，如栅结构、浅沟槽和多重成像工艺中的刻蚀，而晶圆片的工作温度对CD的影响很大，因此采用温度均匀性和重复性好，能够多区域分别控温且变温快速的静电吸盘成为关键。尤其是多区温控，它能够修正由前一步工序（如光刻）造成的CD不均匀性，功效极大。现在已经有超过100个温控区的静电吸盘正在被研发。
2）刻蚀选择性：随着器件尺寸的不断缩小（尤其是FinFET的出现），提高选择性或减少（甚至完全消除）对衬底材料的侵蚀至关重要，因此必须对刻蚀条件进行精确的调控，从而实现反应生成物的选择性沉积。目前，相关研究重点集中在控制离子的轰击能量方面，如通过对源电源和偏压电源信号的同步脉冲调制、对射频波形的调制，以及采用脉冲直流偏压技术来剪除离子能量分布中的高能段并精确调控离子的能量。
3）等离子体引起的损伤：先进集成电路已进入原子尺度和单一或数个电子效应的时代，降低等离子体的电子温度是将损伤降至最小（甚至为零）的途径之一，表面波等离子体技术重新被采用就是一个例子。此外，还有一些研究旨在利用脉冲等离子体的后发光阶段所产生的负离子来平衡正电荷积累，从而实现降低损伤的目的。
