SiGeC薄膜表征對于光刻對準性能的影響研究

王霞瓏

（上海交通大學微電子學院，上海 200240）

1 引言

Si1-x-yGexCy技術(shù)被廣泛應用，除民用無線、有線通信外，也廣泛應用于軍用通信、GPS定位導航系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、汽車雷達等領(lǐng)域，特別是高速/高頻的各個領(lǐng)域。

Si1-x-yGexCy/Si異質(zhì)結(jié)材料的Si1-x-yGexCy薄膜的厚度、Ge含量、C含量、晶體質(zhì)量和缺陷等是Si1-x-yGexCy材料生長重要的控制參數(shù)，它們決定著Si1-x-yGexCy器件的性能。因此，Si1-x-yGexCy材料的表征技術(shù)是研究Si1-x-yGexCy材料的一個重要組成部分。目前，Si1-x-yGexCy材料的表征方法主要有X射線、原子力顯微鏡、霍爾測量、二次開發(fā)離子質(zhì)譜、透射電子顯微鏡等。這些研究方法對實驗研究作用很大，但在規(guī)?；慨a(chǎn)中具有相當?shù)木窒扌?，特別是在Si1-x-yGexCy器件的制造過程，圖形化過程對Si1-x-yGexCy薄膜的特性和表面狀態(tài)要求很高，上述方法都還不能實現(xiàn)對Si1-x-yGexCy薄膜特性和表面狀態(tài)的快速監(jiān)控，本文通過大量實驗研究，總結(jié)出了Si1-x-yGexCy薄膜的特性及表面狀態(tài)與光學反射率之間的關(guān)系，對Si1-x-yGexCy薄膜的光學表征的實現(xiàn)具有一定的借鑒意義。

此外，本文所述Si1-x-yGexCy薄膜的生長采用的是低溫選擇性外延工藝，外延生長溫度對Si1-x-yGexCy薄膜的特性有明顯影響。選擇性外延的特性，決定了Si1-x-yGexCy薄膜在Si單晶表面生長的是單晶Si，在非單晶薄膜表面生長的是多晶，在不同襯底表面Si1-x-yGexCy薄膜的生長速率及表面形貌有明顯的差異。不同的Si1-x-yGexCy成分、厚度對Si1-x-yGexCy薄膜的特性也有明顯影響。

本文還系統(tǒng)研究了Si1-x-yGexCy薄膜在不同襯底的表面狀態(tài)，并研究了不同外延生長工藝、成分、薄膜厚度對光刻對準標記的影響。

2 原料及設(shè)備

2.1 實驗設(shè)備及用途

（1）美國應用材料公司生產(chǎn)的C e n t u r a Epi5200，用于Si1-x-yGexCy薄膜外延生長；

（2）Nikon 207 Scanner 光刻機，用于曝光及對準信號采集；

（3）MAC-110MV1 套刻設(shè)備，用于對準測量及光學信號采集;

（4）KLA-tencor F5X 厚度測試儀，用于測定薄膜表面的反射率。

2.2 實驗工藝

首先，外延生長Si1-x-yGexCy薄膜；其次采集外延晶片的反射信號；再次，采集光刻機的對準信號；最后，套刻數(shù)據(jù)的測試及套刻信號的采集。

相關(guān)工藝技術(shù)和基本原理簡單介紹：光刻（Lithography）是集成電路生產(chǎn)中一項關(guān)鍵的工藝技術(shù)，是利用掩模版（MASK）上的幾何圖形，通過光化學反應，將圖案轉(zhuǎn)移到半導體硅片上的感光薄膜層上（光刻膠，Resist）的一種工藝步驟。

典型的光刻工藝流程包括：

表面處理→涂膠→前烘→曝光→顯影→后烘→刻蝕→去膠。

光刻機是實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的重要設(shè)備，而套準精度是判斷光刻機性能的一個重要參數(shù)。套準精度指后續(xù)掩模版與先前掩模版刻在硅片上的圖形互相對準的程度。而Si1-x-yGexCy薄膜的表面粗糙度對于套準精度的影響則是本文所要研究的主要內(nèi)容。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 Si1-x-yGexCy薄膜生長對襯底材料的依賴性

由于Si1-x-yGexCy薄膜采用的是低溫外延工藝，薄膜的生長速率隨溫度的變化非常明顯。并且由于外延工藝的特點，薄膜生長對硅片襯底也有很強的依賴性。當襯底是單晶硅時，原子會沿著硅單晶原來的晶向排列向外生長，形成的也是單晶薄膜；當襯底是氧化硅/氮化硅或多晶硅等非單晶薄膜時，生長出的則是多晶薄膜，這就導致Si1-x-yGexCy薄膜在不同薄膜表面和不同Pattern density的情況下生長速率也不盡相同，進而對工藝和產(chǎn)品產(chǎn)生不同的影響。

圖1～圖4是Si1-x-yGexCy薄膜生長于單晶硅、SiO2、Si3N4和α-Si表面的SEM照片，從圖中我們可以看出，因為單晶硅表面的Si1-x-yGexCy薄膜也是單晶，所以表面非常光滑均勻。而在SiO2、Si3N4和α-Si表面均為多晶硅，并且不同薄膜表面的Si1-x-yGexCy多晶硅粗糙程度也不一樣，其中氧化硅表面的多晶硅最為粗糙，而氮化硅和α-Si表面的多晶硅膜則相對平滑均勻很多。

圖1 單晶體硅表面的SiGeC

圖2 SiO2表面的SiGeC

圖3 Si3N4表面的SiGeC

圖4 α-Si表面的SiGeC

3.2 Si1-x-yGexCy薄膜表面的反射率研究

3.2.1 反射率測試系統(tǒng)穩(wěn)定性評估

GRR（Gauge Repeatability and Reproducibility）測試是對量測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性的標準的評定方法，目前業(yè)內(nèi)通用的評定標準為GRR＜30%，即認為量測結(jié)果是穩(wěn)定可靠的，GRR＜10%，結(jié)果是精準的。圖5為不同襯底上生長的Si1-x-yGexCy薄膜反射率的GRR測定結(jié)果，在不同的襯底上Si1-x-yGexCy薄膜反射率的GRR值都在30%以下，測試系統(tǒng)的結(jié)果是可信的，在SiO2、Si3N4、α-Si襯底反射率的GRR值甚至在10%以下，結(jié)果十分精確，這為Si1-x-yGexCy薄膜反射率表征打下基礎(chǔ)。從實驗數(shù)據(jù)還可以看出，較粗糙的Si1-x-yGexCy薄膜反射率GRR較低，其原因可能在于：較粗糙表面反射率的變化范圍較大。

圖5 不同襯底SiGeC薄膜反射率的GRR測試結(jié)果

3.2.2 不同膜層表面反射率的測試結(jié)果比較

圖6為不同襯底Si1-x-yGexCy薄膜反射率的實驗結(jié)果，結(jié)果表明：在不同的襯底上沉積的Si1-x-yGexCy薄膜其反射率有明顯差異，由于不同襯底的Si1-x-yGexCy薄膜的表面狀態(tài)有明顯差異，反射率可以作為監(jiān)控Si1-x-yGexCy薄膜表面狀態(tài)的有效方法。

圖6 不同襯底SiGeC薄膜反射率的實驗結(jié)果

3.2.3 不同Ge含量膜層表面反射率的實驗結(jié)果

圖7為相同襯底上生長的Si1-x-yGexCy薄膜反射率的實驗結(jié)果，結(jié)果表明：不同Ge含量的Si1-x-yGexCy薄膜，其反射率有明顯差異，反射率可以明顯地區(qū)分不同Ge含量的Si1-x-yGexCy薄膜。

圖7 相同襯底SiGeC薄膜反射率的實驗結(jié)果

3.3 不同Ge含量對光刻對準性能的影響

圖8為不同Ge含量Si1-x-yGexCy薄膜光刻對準信號（LSA）的實驗結(jié)果，Ge含量對光刻對準信號有明顯影響，隨著Si1-x-yGexCy薄膜Ge含量的增加，光刻對準信號明顯變?nèi)?，當Ge含量大于28%之后，光刻對準信號就變得非常弱了。

圖8 不同Ge%含量SiGeC薄膜光刻對準信號的實驗結(jié)果

3.4 不同外延膜厚度對光刻對準性能的影響

圖9為不同厚度的Si1-x-yGexCy薄膜光刻對準信號（FIA）的實驗結(jié)果，Si1-x-yGexCy薄膜的厚度對光刻對準信號的影響較小，也沒有明顯的規(guī)律可尋。

3.5 襯底對對準套刻精度的影響

由于Si1-x-yGexCy薄膜生長的襯底不同，表面粗糙度有明顯差異，單晶硅上生長比較均勻，在SiO2、Si3N4和α-Si表面生長較為粗糙。圖10為不同襯底的光刻套刻精度（3-Sigma）的實驗結(jié)果，Si1-x-yGexCy薄膜的表面狀態(tài)對套刻精度影響較大，平滑表面套刻量測精度較高。

圖9 不同厚度光刻對準信號的實驗結(jié)果

圖10 不同襯底的光刻套刻精度（3-Sigma）的實驗結(jié)果

4 結(jié)論

（1）Si1-x-yGexCy薄膜的反射率可以穩(wěn)定地測量，反射率對薄膜的粗糙度、成分有較強的區(qū)分度（10% 以上），證明了反射率表征Si1-x-yGexCy薄膜的可行性；

（2）Si1-x-yGexCy薄膜Ge含量對光刻對準性能影響較大，Ge含量越高，對準信號越弱，而Si1-x-yGexCy薄膜的厚度對光刻對準信號影響較小；

（3）Si1-x-yGexCy薄膜表面的粗糙度對光刻套刻精度影響很大，粗糙表面的套刻無法精確測量，3-Sigma接近70 nm，而平滑表面僅20 nm。

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