半导体制造——离子工艺

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    分子碰撞

    当电子和分子碰撞时，如果因碰撞传递到分子的能量比分子的化学键能量高，就能打破化 学键产生自由基。分解碰撞可以表示如下：

e- +AB -> A + B + e-

其中，AB是分子，而A和B是由分解碰撞产生的自由基，自由基至少带有一个不成对的电子, 因此并不稳定。自由基在化学上非常活跃，能夺取其他原子或分子的电子形成稳定的分子。自由基能增强刻蚀和CVD反应室的化学反应。下图说明了分解碰撞过程。

比如，在氧化物刻蚀和CVD反应室清洁过程中：

e- + CF4 -> CF3 +F + e-

或在PECVD氧化物的过程中，使用硅源材料硅烷(SiH4)和氧源材料(N02)产生自由基：

e- + SiH4-> SiH2+2H+ e-

e- + N02-> N2 + 0 + e-

F、SiH2和O。等自由基在化学上非常活泼，这也就是为什么等离子体能增强CVD和刻蚀的化学反应。

铝和铜溅镀过程中只使用惰性气体氯气。与其他气体不同的是，惰性气体以原子形式而不是分子形式存在，因此在氯气等离子体中并不会产生分解碰撞。

PECVD工艺中有分解碰撞。在氮化钛沉积工艺中，将用到氧气和氮气。在等离子体中，氮气将会被分解而产生自由基N,自由基N继续和钛反应生成钛靶表面的氮化钛，氯离子会将氮化钛分子从钛靶表面溅射出来，使其沉积在晶圆表面。TaN的沉积过程类似于这个工艺过程。

其他碰撞

等离子体中的其他碰撞，如再复合、电荷交换、投掷角度散射，以及中性分子对中性分子碰撞等，在PECVD和等离子体刻蚀中都不重要。

有些碰撞结合了两种或两种以上的碰撞过程。下表显示了一些可能发生在PECVD硅烷等离子体中的碰撞形式。可以看出表中所有的碰撞都是分解碰撞(有些是分解和激发的结合, 有些则是分解和离子化的结合)。

上表中需要最小能量的碰撞是最有可能发生的碰撞。对于电子，获得较低能量比获得较高能量容易得多。当电场强度、压力和温度都一样时，一个电子只要加速小段距离就可以获得足够的能量(2.2 eV),产生第一次碰撞。对于上表中最后的反应(15.3 eV),电子需要加速很长的距离而且不发生碰撞才能获得所需的能量，此种情况的概率很小。

等离子体参数

主要的等离子体参数包括平均自由程(Mean Free Path, MFP)、热速度、磁场中的带电粒子和玻尔兹曼分布。

平均自由程

平均自由程(MFP)的定义是粒子和粒子碰撞前能够移动的平均距离。MFP或lamda可表达成以下方程式：

其中，n是粒子密度，sigma是碰撞截面。高粒子密度将造成较多的碰撞使MFP缩短。大粒子和其 他粒子发生碰撞的概率大，因此MFP也较短。从上述方程中，可以看出MFP主要取决于反应 室的压力，因为压力决定粒子的密度。由于不同气体分子有不同尺寸或截面，因此反应室中的气体也会影响MFP。

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