最大的差異在於「電漿的產生方式,以及因此擅長的離子轟擊方式」。ICP 以流經線圈的高頻電流所產生的感應電場來生成電漿,因此能在低壓(約1~50mTorr)下產生高密度(約10¹¹~10¹² cm⁻³)電漿,並能以不同電源分別控制電漿密度與離子能量。CCP 以平行板電極間的電場產生電漿,密度低1~2個數量級,但電極鞘層上承受很大的電壓,容易得到高離子能量,且即使大面積也很均勻。基於這些特性,在不損傷底層的前提下精密蝕刻閘極、矽等的導體蝕刻以 ICP 為主流;需要強離子轟擊來打斷 Si–O 鍵的氧化膜、氮化膜等介電膜蝕刻則以 CCP 為主流。
主要差異
| 比較項目 | ICP(感應耦合電漿) | CCP(電容耦合電漿) |
|---|---|---|
| 電漿的產生 | 對置於介電窗外側的線圈通入高頻電流,以感應電場加速電子 | 在相對的平行板電極之間施加高頻電壓,以電極間的電場加速電子 |
| 電漿密度 | 高(約10¹¹~10¹² cm⁻³) | 偏低(約10⁹~10¹⁰ cm⁻³) |
| 操作壓力 | 低壓(約1~50mTorr) | 稍高(約10~200mTorr) |
| 密度與離子能量的控制 | 可由線圈端電源(源極功率)與晶圓端電源(偏壓)獨立控制 | 電極同時負責電漿產生與離子加速,兩者容易連動;以2頻化來謀求分離 |
| 離子能量 | 可壓低到低能量,容易抑制底層損傷 | 電極鞘層承受很大電壓,容易得到高能量離子 |
| 均勻性 | 取決於線圈形狀與腔體設計,大尺寸晶圓的均勻化需要下工夫 | 由於是平板電極,即使大面積也容易產生均勻電漿 |
| 主要蝕刻對象 | 矽、多晶矽(閘極)、金屬導線、STI、矽深蝕刻 | SiO₂、SiN 等介電膜、接觸窗孔、通孔、高深寬比孔 |
| 代表性氣體系統 | Cl₂、HBr、SF₆等鹵素系 | C₄F₈、CF₄等氟碳系 |
| 設備結構 | 需要介電窗與線圈,相對複雜 | 結構簡單,容易壓低零組件數量與成本 |
| 在薄膜沉積上的應用 | 高密度電漿 CVD(HDP-CVD) | PECVD(SiO₂、SiN 低溫沉積)的標準方式 |
電漿產生方式的差異
CCP 是在2片平行板電極的其中一片或兩片上施加高頻電壓,以電極間的電場加速電子,使氣體游離。電極與電漿的邊界會形成稱為鞘層、電位差很大的層,離子在此被加速並垂直入射晶圓。也就是說,在 CCP 中,「產生電漿的電場」與「加速離子的電場」來自同一組電極。ICP 則是對隔著介電窗放置的線圈通入高頻電流,以隨時間變化的磁場所感應出的電場加速電子。電漿的產生在線圈端就已完成,因此可在承載晶圓的電極上另接偏壓電源,獨立決定引入離子的強度。這個「能否獨立控制」,正是兩種方式特性差異的出發點。
為什麼導體蝕刻用 ICP
在蝕刻電晶體閘極或矽鰭片的導體蝕刻中,必須維持垂直形狀,同時確實停在只有數nm的閘極絕緣膜等底層上。高密度電漿的反應物種與離子豐富,即使在低壓下也能得到足夠的蝕刻速率,而低壓下離子在途中不易散射,直進性更好。在此基礎上壓低偏壓功率,就能降低離子能量,抑制對底層的損傷與選擇比的下降。密度高、能量低這樣的組合,正因為 ICP 的產生與加速是分離的,才容易實現。
為什麼介電膜蝕刻用 CCP
SiO₂的 Si–O 鍵很強,僅靠化學反應幾乎無法蝕刻。以氟碳系氣體在晶圓表面沉積聚合物,再以高能量離子轟擊以推進反應的離子輔助反應,是介電膜蝕刻的基本原理。CCP 的電極鞘層承受很大的電壓,容易產生高能量離子,平板電極也容易確保大面積的均勻性。目前的介電膜蝕刻設備,一般採用由高頻負責電漿密度、低頻負責離子能量的2頻(或多頻)CCP,CCP 原本控制連動的弱點也已大幅改善。在3D NAND 的通道孔這類深挖氧化膜與氮化膜疊層的製程中,使用的也是這種高離子能量型 CCP。
兩者的界線並非固定
ICP 用於導體、CCP 用於介電膜的區分只是傾向,並非規則。MEMS 的矽深蝕刻(Bosch 製程)與化合物半導體的加工需要高密度,因此以 ICP 為主流,也有以 ICP 蝕刻介電膜的設備。反過來,CCP 也藉由多頻化而能細緻控制離子能量分布。此外,將自由基與離子在空間上分開的遠端電漿,以及以原子層為單位蝕刻的 ALE 等,不屬於任何一方的方式也逐漸增加。比較設備時,與其看方式名稱,不如從要蝕刻的膜、所需選擇比、深寬比與損傷容許度反推,較為可靠。
總結(該選哪一種)
若像閘極或矽那樣想精密地停在底層、想以低損傷垂直蝕刻,適合用 ICP。若是像氧化膜、氮化膜這類需要強離子轟擊的膜,或想在大尺寸晶圓上均勻地挖出深孔,適合用 CCP。判斷的關鍵在於「想如何組合電漿密度與離子能量」。