緒論

1-1 前言

電漿是物質在固、液、氣三態之外，存在的第四種型態。電漿 本體是由一群游離化帶電粒子所組成，其中任何一個帶電粒子與其最 接近的粒子間的電位差遠小於本身具有的動能。製程用電漿為部分離 子化的氣體，由帶電的電子與離子以及不帶電的中性氣體分子所組 成，宏觀來說，電漿是以上三部分所構成的準中性氣體。

電漿因其在材料處理上的特性，在半導體製程上扮演重要的角 色 ： 如 濺 鍍 （ Sputtering ）、 物 理 氣 相 沈 積 （ Physical Vapor Deposition，PVD）、電漿輔助化學沈積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）、乾蝕刻（Dry Etching）、表面清洗（Surface Cleaning）等皆有應用，尤其在線寬越來越精細的製程需求下，具備 高均勻度、高效率的電漿源才能符合製程需求。隨著半導體工業的技 術的進步積體電路的尺寸越做越小，所以蝕刻製程是否能精準完成微 影中預定圖案轉移，為一個重要的過程。早期蝕刻都是採用濕式蝕刻

（wet etch）。它是利用薄膜與特定的溶液間所進行的化學反應來去 除未被光阻覆蓋的薄膜。優點是製程簡單、且蝕刻速率快，因為利用 化學反應來進行薄膜的去除，化學反應沒有特定的方向性，所以會產 生等向性蝕刻(Isotropic)如圖 1-1，造成不正確圖案的轉移，當元

件尺寸越小就會有很大的影響，於是使用乾式蝕刻(dry etch)來取 代。乾式蝕刻是利用電漿來進行薄膜的蝕刻，其最大優點是具有非等 向性蝕刻(Anisotropic)如圖 1-2，因此如何使垂直速率大於側向蝕 刻速率，以便蝕刻後的圖案與光罩相同，並減少底切(Undercut)現 象。因為乾蝕刻非等向性是利用粒子轟擊的物理現象來進行，所以其 選擇性(Selectivity)就比濕蝕刻還來的差。除了非等向性蝕刻與選 擇 性 之 外 ， 還 需 考 慮 蝕 刻 速 率 (Etching rate) 及 均 勻 性 (Uniformity)。乾蝕刻蝕刻速率越快，表示產量越大，蝕刻均勻性越 高，代表晶圓品質的控制越完善，晶圓良率(Yield)也越好。因此如 何將電漿蝕刻設備產生最好的蝕刻率以及均勻性，並降低成本、提高 產品精密度便是當前重要的研究課題。

一般常見乾式蝕刻技術有：電子迴旋共振(Electron cyclotron Resonance)、活性離子蝕刻(Reactive Etching)、感應耦合式電漿 (Inductively Coupled Plasma) 或 變 壓 耦 合 式 電 漿 (Transformer Coupled Plasma)，這次研究是採用變壓耦合式電漿蝕刻系統。變壓 耦合式電漿蝕刻系統具有高電漿密度、低操作壓力、低離子能量、DC bias 可控制等優點，對於蝕刻製程中能夠提供一般傳統蝕刻系統更 高蝕刻速率與非等向性，來達成蝕刻後的品質要求。

本論文研究使用氯氣，因為氯氣具有極強的化學特性，容易與

多晶矽產生化學反應，增強蝕刻能力。架構共分為五章，第一章序論 說明電漿在半導體上應用極為廣泛的必要性﹔第二章是電漿產生基 本原理，對於整個電漿系統作一簡述，其中包含說明電漿生成機制、

蝕刻原理及電容耦合式電漿源 (capacitive coupled plasma)與變壓 耦合式電漿源（Transformer Coupled Plasma，TCP ）比較兩著的優 劣與特性﹔第三章利用實驗設計法與實驗流程並由實驗中找出電漿 功率、偏壓功率、腔體壓力、氯氣流量與蝕刻率、均勻度、電子密度、

電子碰撞頻率的關係；第四章是先對類神經網路作個簡介，並以類神 經網路控制器控制蝕刻率﹔第五章則為對整個論文內容做一總結與 對未來工作的展望。

1-2 文獻回顧

電漿模擬的發展從 1980 年代早期開始，最初是探討氟化合物電 漿化學（Fluorocarbon Plasma Chemistry）問題，到了 1980 年代中 期，使用一維流體模式模擬電容式射頻電漿源（Capacitive Coupled Plasma，CCP）陸續被發表出來，1980 年代晚期至 1990 年代初期，

主要是利用一維模式模擬複雜的電漿物理機制及相關化學反應。近年 來，由於電腦的高速開發，電腦運算能力大大的增加，利用二維或三 維模式來模擬平行板反應性離子蝕刻電漿源（Reactive Ion Etch，

RIE ）、 電 漿 輔 助 化 學 氣 相 沈 積 電 漿 源 。 而 電 子 迴 旋 共 振 電 漿 源

（ Electron Cyclotron Resonance ， ECR ） 及 電 感 耦 合 式 電 漿 源

（Inductively Coupled Plasma，ICP）的模擬，不但可以輔助電漿 源之設計與開發，也可更加精準的瞭解電漿腔體（chamber）內之電 漿 狀 況 與 特 性 。 在 二 維 電 漿 模 擬 方 面 ， 1994 年 R.A.Stewart ， P.Vitello 與 D.B.Graves 發展了一個二維流體模式電感式電漿源模 擬程式【1】。在此模擬中使用簡化流體模型，假設離子溫度不隨腔體 位置的不同而改變，利用各粒子的連續方程式、動量守恆方程式以及 電子能量守恆方程式，模擬出電漿腔體中電子密度、離子密度以及電 子溫度的分佈。在 1994 年 Peter L.G. Ventzek、Robert J. Hoekstra 與 Mark J.kushner【2】，利用蒙地卡羅法（Monte Carlo simulation）

模擬粒子間的關係來架構出整個電漿模型。

1991 年，Gary S.May、Jiahua Huang 與 Costa J.Spanos【3】

針對 Lam Research Corporation Autoetch 4900，利用因子設計法 來建立出蝕刻率、均勻度、二氧化矽選擇比和光阻選擇比的迴歸方程 式 的 模 型 。 實 驗 輸 入 有 電 漿 功 率 、 壓 力 、 Electrode spacing 、 CCl4/He/O2 流量，經由這些迴歸方程式可以判斷每個實驗輸入參數 影響輸出參數的重要性，並可預測不同輸入下所的到的實驗結果。電 漿蝕刻是一種複雜的非線性系統包括物理性與化學性的反應，如果要 用選擇適當的迴歸方程式來預測電漿蝕刻是非常困難的，如果利用類 神經來建立蝕刻模型。1993 年，Himmel 與 Gary S.May【4】以類神 經網路來建立電漿蝕刻模型，並與統計製程的方法來做比較 。由文 中可得知利用類神經網路所建立出的蝕刻率、均勻性、和選擇比都比 統計的方法更加的準確，進而開始探討類神經的網路架構的最佳化。

1994 年，ByungWhan Kimo 與 Gary S.May【5】尋找最佳化類神經網 來建立電漿蝕刻系統模型，類神經網路架構為 3 層包含輸入層、隱藏 層和輸出層，針對不同的學習速率和預測性及訓練時間進行比較，建 立出最接近實際電漿蝕刻系統。

2000 年，David Stokes 和 Gary S.May【6】提出一種即時類神 經控制器應用在活性離子蝕刻(Reactive Ion Etching)系統，輸入參

數為電漿功率、腔體壓力、 混合氣體流量來控制蝕刻率。類 神經網路採用 3 層利用各種不同的干擾來測試類神經網路控制器，結 果顯示類神經控制器能即時消除雜訊干擾回饋正確修正量並到達所 設定的蝕刻率。

2 3

2

/ Cl BCl

2000 年，Partick【7】等人在變壓耦合式電漿源中偏壓控制的 研究。研究中顯示出，電漿功率、操作壓力、反應氣體組成成分對於 鞘層電位有耦合的關係，因此以輸入偏壓功率的開迴路控制無法達到 控制的理想蝕刻率，因此採用閉迴路控制實驗證明閉迴路設計不但可 以獨立控制離子能量，亦可對於不同之匹配電路、電容電阻不匹配等 狀況所造成蝕刻誤差加以補償。

2001 年，Cheng-Hung【8】等人利用 36 GHz 外差式毫微米波干 涉儀，以非接觸式方法量測氬氣的電子密度。文中控制架構是採用比 例 積 分 型 控 制 器 、 順 向 補 償 器 和 前 授 補 償 器 來 消 除 電 子 密 度 的 overshoot。依據 Ziegler-Nichols 法則設計一比例積分型控制器（PI Controller），並以 為目標值進行控制器設計，經由實驗 獲得 和 分別為 0.72 及 1.15，最佳的取樣時間在.075 秒至 0.225 秒間，輸入為電漿功率輸出為電子密度，以改變氣壓作為干擾源印證 控制系統的效能。2003 年，Cheng-Hung 等人繼續討論電漿即時控制 問題在Cl 上之應用【9】輸入為電漿功率與偏壓功率，控制對象為電

3

1011

7 .

1 × cm⁻

kp

k

漿中離子電流與離子密度，並討論開迴路與閉迴路控制狀況下對蝕刻 率的影響，實驗結果顯示在閉迴路狀況下，對於製程的穩定性有較佳 結果。