半導(dǎo)體刻蝕工藝的晶圓背面顆粒研究

唐在峰++吳智勇++任昱

摘 要：半導(dǎo)體制造過(guò)程中，干法刻蝕工藝需要晶圓背面與設(shè)備接觸，把晶圓固定和支撐住，掌握晶圓背面顆粒狀態(tài)對(duì)半導(dǎo)體工藝制程相當(dāng)重要。本文主要研究前段刻蝕工藝后晶圓背面顆粒的狀態(tài)、對(duì)工藝制程的影響以及降低這種影響的方法。前段刻蝕工藝由于穩(wěn)定性、精確性和準(zhǔn)確性的高要求，需要在每片晶圓作業(yè)完后對(duì)刻蝕腔體進(jìn)行自身清潔和聚合物再淀積，以此來(lái)保證每片晶圓都有一致的刻蝕環(huán)境，刻蝕腔體中的靜電吸盤（ESC）表面會(huì)覆蓋聚合物，此聚合物的反應(yīng)對(duì)溫度非常敏感，由于ESC本身硬件的特性，表面聚合物淀積不均勻，造成與其接觸的晶圓背面顆粒數(shù)很高。對(duì)其他晶圓正面造成嚴(yán)重的影響，分析晶圓背面顆粒在設(shè)備傳輸過(guò)程中的變化，通過(guò)優(yōu)化晶圓冷卻裝置和冷卻時(shí)間，有效地降低晶圓背面顆粒對(duì)其他晶圓正面的影響。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制造 晶圓 背面 干法刻蝕 顆粒

中圖分類號(hào)：TN305 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（c）-0098-04

半導(dǎo)體制造過(guò)程中，晶圓正面是電路圖形，晶圓背面為光片，在工藝制程的最后被研磨掉大部分，容易被忽視，實(shí)際上在半導(dǎo)體制造的工藝過(guò)程中，晶圓背面不可避免地直接接觸到各類設(shè)備的平臺(tái)，經(jīng)過(guò)各道工序后，晶圓背面的顆粒狀態(tài)也在不斷地變化中，這些顆粒變化會(huì)交叉影響到晶圓正面的電路，掌握晶圓背面的顆粒狀態(tài)有利于降低此類影響。

本文主要研究半導(dǎo)體制造工藝中的等離子體刻蝕工藝，其中主要對(duì)前段刻蝕工藝后晶圓背面顆粒狀態(tài)做深入研究。前段刻蝕工藝指的是接觸孔之前的工藝，一般有淺溝槽刻蝕、多晶硅柵極刻蝕、柵極邊墻刻蝕等；而這些刻蝕工藝在整個(gè)半導(dǎo)體制程中都是舉足輕重的，所有的物理參數(shù)和電性參數(shù)都密切相關(guān)，對(duì)刻蝕設(shè)備的穩(wěn)定性提出很高的要求，導(dǎo)致每片晶圓刻蝕完后刻蝕腔體會(huì)進(jìn)行自清潔和聚合物再淀積，以此來(lái)保證每片晶圓都有一致的刻蝕環(huán)境，這類先進(jìn)方法的負(fù)作用就是使晶圓背面的顆粒狀態(tài)變得復(fù)雜化。

首先觀察前段刻蝕前后晶圓背面顆粒的變化并對(duì)晶圓背面顆粒進(jìn)行成分分析，找到晶圓背面顆粒形成原因；接著評(píng)估刻蝕后晶圓背面顆粒的變化對(duì)工藝制程的影響；最后通過(guò)硬件和工藝的優(yōu)化，有效地解除此類影響。

1 前段刻蝕后晶圓背面顆粒的狀況

對(duì)前段刻蝕前后晶圓背面進(jìn)行表面掃描，圖1是刻蝕前后晶圓背面掃描的結(jié)果，從影像圖中看到，刻蝕后的晶圓背面較刻蝕前出現(xiàn)明顯的變化，晶圓背面出現(xiàn)了很多不明顆粒。晶圓背面顆粒數(shù)目在刻蝕工藝后急劇增加，從原本的幾千顆增加到了十幾萬(wàn)顆，其中大尺寸顆粒比重很高，刻蝕工藝前晶圓背面顆粒大小集中在1μm以下，但是刻蝕工藝后顆粒尺寸主要集中在1～3μm。

1.1 前段刻蝕后晶圓背面顆粒成分分析

通過(guò)掃描電鏡對(duì)干法刻蝕工藝后晶圓背面顆粒進(jìn)行檢測(cè)和分析，如圖2所示，晶圓背面1～3μm尺寸的顆粒呈長(zhǎng)條狀，顆粒的狀態(tài)是一部分聚合在一起，一部分發(fā)散開(kāi)來(lái)。聚合狀態(tài)的顆粒與晶圓背面黏附性較強(qiáng)，離散狀態(tài)的顆粒與晶圓背面黏附性較弱，存在掉落的風(fēng)險(xiǎn)。顆粒以硅元素為主，含有部分氧元素，同時(shí)也含有微量的氯元素，是刻蝕反應(yīng)后的生成物。

1.2 前段刻蝕后晶圓背面顆粒的來(lái)源

針對(duì)前段刻蝕后晶圓背面顆粒的來(lái)源，先從前段干法刻蝕設(shè)備進(jìn)行分析，圖3是前段干法刻蝕設(shè)備的簡(jiǎn)單示意圖，干法刻蝕設(shè)備是單片作業(yè)模式，晶圓正面在刻蝕過(guò)程中固定在靜電吸盤（ESC）上，吸盤呈圓形，通過(guò)在吸盤上加電壓，在晶圓與吸盤間產(chǎn)生電場(chǎng)，通過(guò)靜電吸住晶圓，在整個(gè)刻蝕過(guò)程中與晶圓背面整片接觸，導(dǎo)致晶圓背面顆粒狀態(tài)發(fā)生變化，即靜電吸盤是晶圓背面顆粒原來(lái)的載體。

分析刻蝕作業(yè)的模式，在刻蝕過(guò)程中ESC由于有晶圓在上方擋著，不會(huì)與等離子體直接接觸。但是前段刻蝕工藝對(duì)刻蝕設(shè)備的穩(wěn)定性要求很高，需要每片晶圓刻蝕完后腔體進(jìn)行自清潔和聚合物再淀積，以此來(lái)保證每片晶圓的刻蝕環(huán)境一致，腔體自清潔和聚合物再淀積時(shí)ESC會(huì)如圖3所示，完全暴露在等離子體下，再淀積聚合物會(huì)覆蓋在ESC表面，如圖4所示。

分析圖4中ESC上的聚合物的組成部分，下面是設(shè)備再淀積步驟的完全反應(yīng)公式，主要是SiCl4和O2的反應(yīng)：

SiCl4（g）+O2（g）——>SiO2（s）+2Cl2（g） （1）

但是由于是在高能的等離子狀態(tài)下，反應(yīng)生成物不是以單一物質(zhì)SiO2和Cl2存在，實(shí)際會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，存在的狀態(tài)是聚合物SinOn+xCl2（n-x） （x=-1～24），與圖2晶圓背面顆粒的成分相同，同時(shí)這種聚合物在等離子體狀態(tài)下又會(huì)發(fā)生解理反應(yīng)，如公式（2），在淀積的過(guò)程中解理和聚合反應(yīng)會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡：

SinOn+xCl2（n-x）——> SiCl4+Sin-1On+xCl2（n-x-2） （2）

圖4顯示ESC上聚合物的厚度不均勻，表面也較粗糙。由于刻蝕工藝的需求，刻蝕腔體內(nèi)ESC的溫度需要得到有效的控制和調(diào)節(jié)，圖5是ESC溫度控制區(qū)域的示意圖，ESC有兩個(gè)控溫區(qū)，控溫區(qū)有加熱器，控溫區(qū)一是一個(gè)直徑為66.3mm的圓盤，控溫區(qū)二是內(nèi)徑為106.9mm，外徑為130mm的圓環(huán)，在控溫區(qū)一和控溫區(qū)二之間是熱傳導(dǎo)區(qū)域，沒(méi)有加熱器，通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)控制溫度，在兩個(gè)控溫區(qū)與熱傳導(dǎo)區(qū)的交界線上會(huì)出現(xiàn)上下1℃的溫差。刻蝕腔體再淀積過(guò)程是一個(gè)沒(méi)有離子轟擊能量的純化學(xué)反應(yīng)，因此對(duì)溫度的變化相當(dāng)敏感，控溫區(qū)交界線上的溫差會(huì)造成等離子狀態(tài)下聚合物SinOn+xCl2（n-x）解理和聚合的動(dòng)態(tài)平衡發(fā)生變化，造成ESC表面聚合物沉積厚度不均、表面粗糙、性質(zhì)不夠致密，形成顆粒，當(dāng)晶圓背面與其接觸時(shí)，容易黏附上此類顆粒，加上靜電吸附作用，在晶圓背面吸附大量的顆粒。

2 晶圓背面顆粒工藝制程中的影響

晶圓背面顆粒是先進(jìn)刻蝕工藝帶來(lái)的產(chǎn)物，晶圓完成刻蝕工藝后，傳輸過(guò)程中一般是邊緣通過(guò)3個(gè)支點(diǎn)進(jìn)行支撐，晶圓的背面會(huì)完全暴露出來(lái)，傳輸過(guò)程中晶圓背面的離散顆粒由于黏附力漸漸變?nèi)跻约办o電的緩慢釋放，在重力的作用下往下掉落，整個(gè)傳輸過(guò)程中，兩種情況下會(huì)出現(xiàn)晶圓堆棧的現(xiàn)象，即上方晶圓背面的顆粒掉落在下方晶圓的正面，造成下方晶圓正面的污染，這兩種情況分別是冷卻裝置內(nèi)和載片器內(nèi)的晶圓堆棧。endprint

2.1 晶圓背面顆粒在冷卻裝置內(nèi)的影響

刻蝕后晶圓表面溫度高，在刻蝕工藝完成后會(huì)進(jìn)入設(shè)備端的冷卻裝置進(jìn)行冷卻，圖6為前段刻蝕設(shè)備使用的冷卻裝置照片，由于采用的是自然冷卻方式，冷卻裝置內(nèi)沒(méi)有復(fù)雜的電氣化設(shè)備，內(nèi)部只有4個(gè)欄位可同時(shí)放置和冷卻4片晶圓，也是通過(guò)3點(diǎn)支撐，同時(shí)在冷卻裝置的側(cè)面有一個(gè)排氣口，排走刻蝕后晶圓表面的殘留氣體。

當(dāng)出現(xiàn)上下兩個(gè)欄位同時(shí)有晶圓進(jìn)行冷卻，冷卻時(shí)間為2min，上方晶圓背面的離散顆粒會(huì)掉落至下方晶圓的正面，下方晶圓的表面被嚴(yán)重污染。在冷卻裝置內(nèi)，由于晶圓堆棧式放置，相鄰的兩片晶圓中，上方晶圓背面的離散顆粒會(huì)造成下方晶圓正面的大面積污染。冷卻裝置配置4個(gè)放置晶圓的欄位，其中位置1，位置2，位置3這3個(gè)欄位被污染風(fēng)險(xiǎn)高。

2.2 晶圓背面顆粒在載片器內(nèi)的影響

晶圓在刻蝕工藝傳輸末端即冷卻工藝完成后，傳輸回載片器，一般載片器可以放置25片晶圓，晶圓堆棧在載片器內(nèi)，上方晶圓背面完全暴露在下方晶圓正面，上方晶圓背面的離散顆粒會(huì)掉落至正下方的晶圓表面上。如圖8實(shí)驗(yàn)所示，當(dāng)晶圓不經(jīng)過(guò)冷卻裝置，直接進(jìn)入載片器內(nèi)，下方晶圓的正面出現(xiàn)大量的顆粒。從下方晶圓表面顆粒的分布來(lái)看，呈現(xiàn)兩個(gè)同心圓的形狀，這個(gè)形狀和位置與圖5中的ESC控溫區(qū)的邊界一致，由于熱傳導(dǎo)區(qū)與溫控區(qū)的交界線上存在上下1℃的溫差，這部分溫差會(huì)破壞聚合物SinOn+xCl2（n-x）的動(dòng)態(tài)平衡，形成厚度不一，表面粗糙，性質(zhì)疏散的大顆粒，當(dāng)上方晶圓黏附了這部分顆粒后，在載片器內(nèi)，隨著黏附力的下降以及靜電緩慢釋放，晶圓背面的顆粒直接掉落到下方晶圓的表面，不會(huì)發(fā)生較大的位移，從而形成同心圓的分布。

2.3 相鄰兩片晶圓堆棧時(shí)間的影響

刻蝕工藝完成后，每片晶圓在冷卻裝置內(nèi)或載片器的時(shí)間各不相同，研究相鄰兩片晶圓堆棧的時(shí)間，確認(rèn)晶圓背面顆粒在冷卻裝置和載片器內(nèi)的影響程度。圖9是相鄰兩片晶圓在載片器內(nèi)放置時(shí)間與下方晶圓表面顆粒變化趨勢(shì)圖，載片器內(nèi)相鄰兩片晶圓放置時(shí)間30s后，下方晶圓的表面已經(jīng)出現(xiàn)上百顆顆粒，當(dāng)放置時(shí)間達(dá)到120s，往下掉落的晶圓背面顆粒數(shù)已經(jīng)接近4000多，即在載片器內(nèi)相鄰兩片晶圓放置時(shí)間越長(zhǎng)，處于下方的晶圓表面受影響會(huì)越大，同理在冷卻裝置內(nèi)，相鄰兩片晶圓冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，晶圓背面顆粒影響程度越深。

3 降低晶圓背面顆粒影響的方法

通過(guò)降低晶圓背面顆粒的影響來(lái)保證半導(dǎo)體工藝制程的穩(wěn)定性。前文已經(jīng)分析了晶圓背面顆粒在冷卻裝置和載片器內(nèi)的影響，主要是相鄰兩片晶圓中，上方晶圓對(duì)下方晶圓的影響，降低此影響一種方法是物理隔絕相鄰的兩片晶圓，這個(gè)在冷卻裝置內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)。另一種方法是利用冷卻裝置內(nèi)的排風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)增加冷卻裝置欄位間距來(lái)增大晶圓背面顆粒被排氣口抽走的能力。由于載片器無(wú)法做相應(yīng)改造，這兩種方法都需要晶圓在冷卻裝置內(nèi)放置充足的時(shí)間，保證晶圓背面的離散顆粒已全部掉落，再次進(jìn)入載片器后不會(huì)發(fā)生掉落的現(xiàn)象。

3.1 冷卻裝置的欄位間增加擋板

解決相鄰兩片晶圓背面顆粒影響的方法是對(duì)兩片晶圓進(jìn)行物理隔絕，在冷卻裝置內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)此方案：把冷卻裝置的4個(gè)欄位改為7個(gè)欄位，相鄰兩片晶圓中間錯(cuò)開(kāi)一個(gè)欄位，錯(cuò)開(kāi)的欄位放置隔板，共需要3塊，即在欄位2/4/6處放置，由于相鄰兩片晶圓間有擋板，因此上方晶圓背面的離散顆粒只會(huì)掉落在擋板上，不會(huì)影響下方晶圓正面，解決了冷卻裝置內(nèi)晶圓間互相影響的可能，再通過(guò)增加冷卻時(shí)間，盡可能保證晶圓背面的離散顆粒全部掉落在擋板上，降低載片器內(nèi)晶圓間互相影響的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然冷卻裝置內(nèi)的擋板需要定時(shí)維護(hù)和清洗，保證擋板上的顆粒不會(huì)在工藝制程中發(fā)生二次污染。

3.2 放大冷卻裝置中欄位間距抽走晶圓背面顆粒

晶圓背面顆粒的影響，主要是脫離晶圓背面的離散顆粒造成的，這些顆粒會(huì)從晶圓背面往下掉落，冷卻裝置的側(cè)面具有排風(fēng)系統(tǒng)，可以利用此排風(fēng)系統(tǒng)，在晶圓背面顆粒掉落到下方晶圓之前，把這些顆粒從排風(fēng)系統(tǒng)中抽走，避免顆粒掉落到下方晶圓上。圖11是冷卻裝置欄位間距離對(duì)晶圓背面顆粒影響的實(shí)驗(yàn)，圖中演示了當(dāng)冷卻裝置內(nèi)欄位間距從16mm增加到48mm后，相當(dāng)于側(cè)面排風(fēng)的截面積增大，排風(fēng)能力得到加強(qiáng)，晶圓背面的離散顆?？梢杂行У碾S著氣流方向被排走。圖12是相鄰兩片晶圓冷卻時(shí)間2min的情況下，下方晶圓表面被污染的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)冷卻裝置欄位間距被放大到48mm時(shí)，落在下方晶圓表面的顆粒數(shù)迅速下降，可見(jiàn)晶圓背面的顆粒已經(jīng)被完全的排走了。同理保證晶圓背面掉落的顆粒在冷卻裝置內(nèi)被充分的抽走，就可以避免這些顆粒在載片器內(nèi)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體制程中的晶圓背面雖然沒(méi)有電路，但是晶圓背面顆粒的狀況對(duì)晶圓正面的圖形同樣會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。本文分析了前段刻蝕工藝后晶圓背面顆粒的變化，當(dāng)晶圓固定在刻蝕設(shè)備中的靜電吸盤上時(shí)，晶圓背面與靜電吸盤的表面緊密的結(jié)合在一起，而靜電吸盤上的聚合物（先進(jìn)刻蝕工藝特點(diǎn)）由于性質(zhì)較疏松，容易黏附和靜電吸附在晶圓的背面，形成較大的顆粒；晶圓在后續(xù)的傳輸過(guò)程中，隨著離散顆粒黏附性的減弱以及靜電的釋放，會(huì)往下掉落，分別在冷卻裝置和載片器內(nèi)掉落在正下方晶圓的表面，對(duì)晶圓正面的圖形造成影響；通過(guò)冷卻裝置的改造，在相鄰兩個(gè)欄位間增加隔板，對(duì)上下兩片晶圓進(jìn)行物理隔絕或者增大冷卻裝置內(nèi)晶圓間距來(lái)增強(qiáng)冷卻裝置的排氣能力，解決晶圓背面顆粒在冷卻裝置內(nèi)的影響；同時(shí)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，在冷卻裝置內(nèi)完成晶圓背面顆粒的掉落過(guò)程，降低晶圓背面對(duì)載片器的影響，成功保證了半導(dǎo)體工藝制程的穩(wěn)定性，減少了產(chǎn)品的報(bào)廢。

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