CCD曝光工藝常見缺陷及解決辦法

高建威，向鵬飛，鄧 濤，楊修偉，袁安波

(重慶光電技術(shù)研究所第1研究室，重慶 400060)

隨著電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)［1］技術(shù)的發(fā)展，同等芯片面積的CCD像元數(shù)不斷增加，像元尺寸不斷縮小，光刻特征尺寸隨之不斷減?。?］。在工藝制作過程中引入的各種圖形缺陷將更易導(dǎo)致器件直流和交流參數(shù)的下降，使得器件電學(xué)功能、光學(xué)性能不正常，比如導(dǎo)致多晶硅同層、層間漏電甚至短路，器件成像產(chǎn)生黑點(diǎn)、黑條、亮點(diǎn)、亮條等缺陷，最終導(dǎo)致器件可靠性下降甚至報(bào)廢。在光刻的整個(gè)工藝過程中，涂膠、曝光、顯影［3］3個(gè)步驟中，曝光工藝是重點(diǎn)，決定了光刻工藝質(zhì)量的優(yōu)劣［4］。因此，確定CCD曝光工藝中的圖形缺陷類型，分析其形成的原因，提出相應(yīng)的消除缺陷的措施，對(duì)提高器件成品率具有重大意義。

本文以像元尺寸為9μm×9μm的10 000×10 000元可見光CCD作為研究對(duì)象，就CCD曝光工藝缺陷及其原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)解決辦法，使產(chǎn)品的成品率得到提升［5］。

1 實(shí)驗(yàn)方法

10 000×10 000元可見光CCD的像元為9μm×9μm，而其溝阻、勢(shì)壘、多晶硅、抗暈漏等多個(gè)層次的最小線寬為0.5μm，且具有線條分布密集、線條形貌要求高等特點(diǎn)。曝光工藝缺陷給器件帶來的影響更大，更易導(dǎo)致器件性能的下降。采用的實(shí)驗(yàn)方法為利用清洗過的硅片進(jìn)行涂膠、曝光、顯影等工藝，然后采用顯微鏡、CDSEM、硅片表面缺陷探測(cè)等設(shè)備進(jìn)行缺陷檢測(cè)和分析。硅片表面缺陷探測(cè)采用以光散射為基礎(chǔ)的缺陷識(shí)別技術(shù)［6］。缺陷的尺寸、外型、成分、表面狀況直接影響到散射的光強(qiáng)，對(duì)光散射過程加以修正便使測(cè)量設(shè)備能區(qū)分出是缺陷散射光還是圖形邊緣散射光。該技術(shù)利用重復(fù)圖形的規(guī)律性來識(shí)別此特定的散射光并用濾光器將其擋住，剩余的散射光便為缺陷散射光，從而捕獲到硅片表面缺陷形貌。

2 曝光中產(chǎn)生的缺陷及解決方法

對(duì)于小線條而言，當(dāng)線寬差異在10%以上就會(huì)影響后續(xù)工藝的穩(wěn)定性［7］，尤其是像多晶硅、接觸孔等在光刻后需要刻蝕的層次，因此需線條滿足圓滑清晰、均勻性好和臺(tái)階覆蓋性好等要求。解決缺陷的應(yīng)對(duì)方法主要分為3部分:(1)原始工藝優(yōu)化。(2)機(jī)臺(tái)和工藝的日常監(jiān)控。(3)產(chǎn)品的監(jiān)控和處理［8］。由于工藝條件都是成熟工藝，所以本文主要針對(duì)后面兩條問題進(jìn)行。

2.1 線寬均勻性差

線寬均勻性差是曝光過程中常見的問題，占到了統(tǒng)計(jì)缺陷總量約62%，這種缺陷對(duì)小尺寸的管芯影響較小，但對(duì)大尺寸管芯的影響卻是致命的，會(huì)影響CCD光響應(yīng)均勻性和各輸出抽頭之間的一致性。導(dǎo)致線條均勻性不好的原因有:(1)光刻膠膜厚不均勻，由此產(chǎn)生的不均勻主要是中間和邊上的線條線寬不同，或硅片中間窄兩邊寬，或中間寬兩邊窄，這就需要調(diào)整涂膠的預(yù)轉(zhuǎn)速。這是造成線條均勻性不好最常見的原因［8］。(2)若線條線寬表現(xiàn)為一邊寬一邊窄，其原因應(yīng)是焦平面不平，這時(shí)需要做 IQC(Image Quality Control)確認(rèn)機(jī)臺(tái)中石頭或承片臺(tái)的角度是否偏差過大。(3)線條線寬表現(xiàn)為個(gè)別固定區(qū)域線條不均勻，其原因應(yīng)是承片臺(tái)個(gè)別區(qū)域有凸起或光的均勻性不好。此時(shí)應(yīng)檢查承片臺(tái)上是否有異物導(dǎo)致片被吸住后不平，檢查光的均勻性是否異常。

根據(jù)以上原因，經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)QC(Quality Control，質(zhì)量控制)規(guī)范［9］進(jìn)行以下完善:(1)每天檢驗(yàn)?zāi)z膜厚度和均勻性，偏差在5%以內(nèi)為可接受。(2)每天檢驗(yàn)光刻機(jī)IQC，調(diào)整各參數(shù)偏差。(3)每周用專用器具對(duì)承片臺(tái)進(jìn)行清理，并用專用片檢驗(yàn)承片臺(tái)的清潔度。

2.2 顯影不凈有底膜

顯影不凈有底膜的情形如圖1所示，這種缺陷占到缺陷總量約9%。底膜的產(chǎn)生原因從根本上說就是硅片上有部分區(qū)域在曝光時(shí)無法曝光完全而形成的，這對(duì)后續(xù)的注入或刻蝕工藝都有破壞性的影響。當(dāng)有底膜時(shí)首先應(yīng)該檢查承片臺(tái)上是否有異物使得硅片局部凸起而無法曝光完全，如果有異物將其清理即可。如果曝光設(shè)備經(jīng)確認(rèn)正常，則應(yīng)檢查光刻膠，比如光刻膠內(nèi)是否有濃度不同的雜質(zhì)，檢查光刻膠是否過期或有顆粒［10］，涂膠時(shí)的回吸是否正常，是否需要清洗膠泵和管路等。

圖1 臺(tái)階較低處有大范圍底膜

根據(jù)上述原因?qū)C規(guī)范進(jìn)行的完善為:每天做片前曝光專用監(jiān)測(cè)圖形，然后經(jīng)缺陷檢測(cè)掃描，若發(fā)現(xiàn)類似問題就對(duì)光刻機(jī)和涂膠機(jī)進(jìn)行檢測(cè)并排除問題。

2.3 散焦

缺陷占到缺陷總量約8%，曝光完成后膠的線條應(yīng)該是清晰的，其底邊角度要＞85°，尤其是一些細(xì)線條尤其要注意角度，角度達(dá)不到要求則會(huì)影響后續(xù)的刻蝕等工序，在顯微鏡里觀察則會(huì)看到線條的邊較粗，如圖2所示。在線寬測(cè)試儀下看則是線條的上下表面間斜坡大，如圖3所示。

圖2 散焦引起的圖形變模糊

圖3 線寬測(cè)試儀下觀察線條的邊緣傾斜度差

引起線條斜邊達(dá)不到要求的主要原因是:(1)光的聚焦程度不好，光線的離散程度過大或光的鏡頭距離硅片聚焦較近或較遠(yuǎn)，這時(shí)就需要調(diào)整鏡頭的位置以及光路使光可聚焦在測(cè)試圖形上。(2)硅片表面臺(tái)階過高，這時(shí)就需要手動(dòng)調(diào)節(jié)焦距來使條件達(dá)到要求。(3)硅片本身平整度差導(dǎo)致局部變形或承片臺(tái)有沾污，此時(shí)就需要清理。

根據(jù)以上原因，對(duì)QC規(guī)范的完善為:首先每次更換曝光光源要對(duì)光路進(jìn)行重新校準(zhǔn)。其次對(duì)厚度異常的硅片在隨片單上進(jìn)行明確的標(biāo)注，然后手動(dòng)做出補(bǔ)償。隨后對(duì)制作的芯片在投片時(shí)和做多晶硅時(shí)進(jìn)行平整度檢測(cè)。當(dāng)硅片沒有問題而曝光散焦時(shí)，則進(jìn)行承片臺(tái)的檢測(cè)和清理。

2.4 對(duì)位偏差

這種缺陷占到了缺陷總量約17%，曝光的圖形未對(duì)準(zhǔn)在原來的圖形上，形成了偏移，這種狀況主要發(fā)生在工藝流程的后段［11］。圖4中的圖形向右偏移了20μm。

圖4 金屬布線層偏離原位置

形成偏移的原因有以下幾種:(1)標(biāo)記位置將產(chǎn)生損傷或扭曲，這使得光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生扭曲，影響對(duì)準(zhǔn)精度。此時(shí)需先將標(biāo)記所在區(qū)域整體曝光出來刻蝕掉，這可減少標(biāo)記上覆蓋的薄膜厚度。(2)光刻機(jī)的步進(jìn)精度異常，該原因引起的對(duì)位偏差通常較小，但在整片上的不同區(qū)域偏差則可能會(huì)不同，這時(shí)就需要重新校準(zhǔn)曝光機(jī)的步進(jìn)精度。(3)曝光程序異常，使得管芯分布位置改變，光刻掩膜版上的區(qū)域選擇產(chǎn)生位移，這時(shí)就需要檢查曝光程序的各參數(shù)。

根據(jù)以上原因，對(duì)制作和QC規(guī)范的完善為:首先當(dāng)硅片制作到多晶硅層次時(shí)進(jìn)行標(biāo)記清理，將標(biāo)記上的薄膜進(jìn)行一定程度的清理，然后每個(gè)月對(duì)光刻機(jī)的步進(jìn)進(jìn)度進(jìn)行校準(zhǔn)。最后，程序做好后由2～3人進(jìn)行檢驗(yàn)，并曝光進(jìn)行再檢驗(yàn)。

2.5 線條呈不規(guī)則形狀

該種缺陷占缺陷總量約3%，曝光所得線條應(yīng)兩邊相同，但偶爾會(huì)遇到線條在不同方向上所得形貌差異較大，這對(duì)線寬控制的影響較大，一旦疏忽則不易發(fā)現(xiàn)，且容易在腐蝕時(shí)產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 線條的右邊呈波浪形

圖5是因?yàn)楣饪虣C(jī)光路角度不正導(dǎo)致的異常，需做光刻機(jī)保養(yǎng)來校準(zhǔn)機(jī)器參數(shù)，甚至需調(diào)節(jié)光路。

根據(jù)以上原因，對(duì)QC規(guī)范的完善為:每個(gè)季度對(duì)光刻機(jī)進(jìn)行FEM(Focus and Energy Marix)校準(zhǔn)，在每次換完光源后對(duì)光路進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)束語

通過對(duì)曝光工藝引起的各種圖形缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)圖形缺陷主要是由工藝條件變化［11］、設(shè)備參數(shù)變化、硅片表面材料及應(yīng)力損傷、表面沾污和人員操作失誤引起。本文針對(duì)不同缺陷類型，找出了消除曝光缺陷的有效方法，并將這些方法形成規(guī)范，該規(guī)范主要針對(duì)操作、維護(hù)、檢測(cè)、維修等方面。實(shí)施以上規(guī)范后，器件曝光過程中的缺陷經(jīng)驗(yàn)減少了約97%，這使器件的成品率和可靠性得到了顯著提高。

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