多晶硅柵極刻蝕過程中邊緣刻蝕缺陷的研究及改善

任昱++聶鈺節(jié)++唐在峰

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.087

摘 要：刻蝕缺陷是半導(dǎo)體制程中最關(guān)鍵和最基本的問題，理想的等離子體刻蝕工藝過程中，刻蝕氣體必須完全參與反應(yīng)而形成氣態(tài)生成物，最后由真空泵抽離反應(yīng)室。但實際上，多晶硅柵極等離子體刻蝕過程中，生成的反應(yīng)聚合物（polymer）無法由真空泵抽離反應(yīng)室而附著在刻蝕腔壁上，造成反應(yīng)室的污染，有些甚至附著在晶圓表面而形成元器件的微粒子污染，造成產(chǎn)品良率下降甚至報廢。本文通過改變調(diào)整刻蝕工藝參數(shù)等方式，成功解決了多晶硅柵極刻蝕工藝制程中反應(yīng)生成物轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘Ｗ游廴疚镞@一問題，使得產(chǎn)品良率提升了3%，刻蝕反應(yīng)腔體保養(yǎng)時數(shù)延長了一倍，晶圓報廢率降低了0.03%。

關(guān)鍵詞：多晶硅刻蝕 干法刻蝕 等離子體 柵極 刻蝕缺陷

中圖分類號：TN305.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（a）-0087-05

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，使器件的特征尺寸（Critical Dimension，簡稱CD）不斷縮小，使得集成度不斷提高，功耗降低，器件性能提高。在微電子學(xué)中，特征尺寸通常指集成電路中半導(dǎo)體器件的最小尺寸，如MOSE管的柵極關(guān)鍵尺寸，特征尺寸是衡量集成電路設(shè)計和制造工藝水平的重要參數(shù)。但是特征尺寸越小，柵極的尺寸容差要求就變得越來越嚴(yán)格，尤其是大尺寸的12寸晶圓硅片的應(yīng)用，使得工藝控制變得更加苛刻。例如按照刻蝕容差絕對值應(yīng)控制在10%之內(nèi)，對于45nm工藝節(jié)點，容差絕對值要小于5nm[1]。

在先進的多晶硅柵極工藝中，刻蝕腔之間CD偏差值匹配度已經(jīng)小于1nm，而高的CD精度意味著工藝步驟的可重復(fù)性需要做到完美。與此同時，由于堆疊結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，刻蝕過程中反應(yīng)物和生成物也相應(yīng)地增加，另外刻蝕反應(yīng)腔體也要承擔(dān)更多的工藝刻蝕內(nèi)容，于是刻蝕反應(yīng)腔體的匹配和工藝的可重復(fù)性，已經(jīng)成為等離子體刻蝕中很大的挑戰(zhàn)?？涛g的一致穩(wěn)定性控制要求不僅是針對同一塊硅晶片上的不同區(qū)域而言，更是針對刻蝕反應(yīng)腔兩次維護保養(yǎng)間數(shù)百小時的射頻工藝過程而言。

由于反應(yīng)生成物影響著刻蝕腔體內(nèi)壁，而刻蝕腔體內(nèi)壁環(huán)境又與等離子體的成分相互作用，刻蝕過程中每一個工藝和硬件參數(shù)都影響著刻蝕的穩(wěn)定性，為了實現(xiàn)非等向刻蝕，需要鈍化層保護側(cè)壁，而形成側(cè)壁鈍化層的聚合物，又可能成為腔室或晶圓表面的污染物[2，3]。本文就300mm硅柵極等離子體刻蝕過程中，刻蝕反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘Ｗ游廴疚镞@一問題，從反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)分析和工藝參數(shù)改變等方面入手，通過不斷嘗試和調(diào)整，既消除微粒子污染又能實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定，最終確保反應(yīng)腔中出來的每一片晶圓都擁有相同的性能且具有精確的可重復(fù)生產(chǎn)性，實現(xiàn)產(chǎn)品良率的提升。

1 多晶硅柵刻蝕過程中的刻蝕缺陷分析

在多晶硅柵極刻蝕工藝制程中，由于容差要求非常嚴(yán)格，為達到關(guān)鍵尺寸要求、理想的圖形、好的刻蝕均勻性以及高的選擇比，在刻蝕完硬掩膜層后，如BARC，HM（SiN/SiO2）等，才進行多晶硅柵極的刻蝕，根據(jù)缺陷（defect）掃描圖像顯示，所產(chǎn)生的defect屬于典型的部分阻擋刻蝕，已經(jīng)出現(xiàn)了清晰的柵極線條，如圖1所示，經(jīng)過反復(fù)比較研究發(fā)現(xiàn)這種典型的刻蝕缺陷是在Hard Mask（硬質(zhì)掩模層，簡稱HM）刻蝕過程中微粒掉落產(chǎn)生的。

就整個defect分布情況分析發(fā)現(xiàn)，defect都集中在晶圓邊緣位置，如圖2所示，對比缺陷在刻蝕腔體位置發(fā)現(xiàn)都是出現(xiàn)在ESC（靜電吸盤，簡稱ESC）單懸臂區(qū)域位置處，如圖3所示。但defect的數(shù)量具有隨機性，某一片wafer比較少，另外的wafer比較高，跟蹤晶圓良率發(fā)現(xiàn)defect分布區(qū)域正對應(yīng)良率的損失，如圖4所示，這種多晶硅阻擋刻蝕缺陷明顯降低了產(chǎn)品的良率，甚至?xí)驗閐efect數(shù)量的過多引起wafer報廢。

通過長期數(shù)據(jù)采集和對比，發(fā)現(xiàn)在刻蝕腔體維護保養(yǎng)后初期，沒有出現(xiàn)單托臂區(qū)域wafer邊緣的defect，而隨著刻蝕腔體作業(yè)RF時間的增加到一定程度，單托臂區(qū)域wafer邊緣的defect開始出現(xiàn)。因此設(shè)備的維護保養(yǎng)周期，被限制在100h內(nèi)，只達到正常設(shè)備維護保養(yǎng)RF時數(shù)200h的一半，這種多次進行設(shè)備維護保養(yǎng)或全部配件更換，維護費用也急劇上升但也無法解決此issue，因此找到defect產(chǎn)生的真正原因，施以有效的解決方法變得極為迫切。

2 多晶硅柵刻蝕過程中的刻蝕缺陷來源的分析

2.1 特征圖形分析

從多晶硅柵極刻蝕缺陷分布分析發(fā)現(xiàn)，每片wafer刻蝕缺陷都是集中在刻蝕反應(yīng)腔的特定位置，正好對應(yīng)著ESC單托臂區(qū)域位置，根據(jù)等離子體在刻蝕腔體的分布及真空泵抽氣情況分析發(fā)現(xiàn)，在ESC單托臂處由于底部托臂的阻擋會產(chǎn)生較為強烈的氣體回流現(xiàn)象，如圖5所示，產(chǎn)生的polymer的等離子體漿也會在ESC單托臂上方處產(chǎn)生回流，從而在此處沉積更多的polymer。同時測試晶圓控片刻蝕速率也發(fā)現(xiàn)，在ESC單托臂對應(yīng)區(qū)域的刻蝕速率明顯較其他區(qū)域的刻蝕速率慢，如圖6所示中心區(qū)域。

2.2 多晶硅刻蝕工藝分析

多晶硅刻蝕工藝包括了復(fù)雜的多步驟刻蝕，依次主要是BARC（底部抗反射涂層刻蝕），HM（無機硬質(zhì)掩模層刻蝕）、BT（氧化硅刻蝕）和ME（多晶硅刻蝕）刻蝕，每一步刻蝕過程都會產(chǎn)生大量的刻蝕副產(chǎn)物[4，5]，具體如表1種所示。這些副產(chǎn)物氣體在被分子泵抽離的過程中在ESC單托臂處由于ESC托臂的阻擋，部分會回流重新淀積在托臂上方的top edge ring表面，隨著RF時數(shù)增加top edge ring表面淀積的polymer也就越來越多，從而產(chǎn)生刻蝕缺陷的微粒子來源。

在微電子學(xué)中，多晶硅柵極大小直接影響了COMS器件的電學(xué)性能，而柵極側(cè)壁形貌又直接關(guān)系到柵極性能的優(yōu)劣，因此多晶硅柵極需要一個“陡直”的側(cè)壁形貌。這種“陡直”的側(cè)壁形貌主要就是由HM刻蝕傳遞到多晶硅柵極上的，因此HM側(cè)壁形貌也就決定了最終多晶硅側(cè)壁形貌。在等離子體刻蝕中，為取得“陡直”的側(cè)壁形貌不僅需要刻蝕過程中不斷地有側(cè)壁保護層進行保護，更需要賦予高偏壓來增加異向刻蝕能力。一般方法都是在HM刻蝕步驟中采用高的偏壓來獲得強的縱向物理轟擊強，偏壓越大對應(yīng)的物理轟擊能力越強，表現(xiàn)的刻蝕速率也越強，如7所示，偏壓越大，刻蝕速率越大，兩者呈現(xiàn)正向線性關(guān)系。endprint

這種強烈的物理轟擊會作用在ESC邊緣top edge ring上，使得沉積在top edge ring表面的polymer被濺射成微粒散落到附近的邊緣晶圓表面，從而阻止后續(xù)刻蝕進行，如圖8所示。

2.3 刻蝕反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)分析

在刻蝕反應(yīng)腔內(nèi)與晶圓直接接觸的是ESC，具有靜電吸附作用。ESC也是wafer接受等離子體（plasma）的場所，具有很強的耐腐蝕性，能承受持續(xù)的離子轟擊和具有良好的介電性質(zhì)，是反應(yīng)腔室的主要部件之一。在ESC的外面加裝一個用于增大下電極表面積的Ring，稱為top edge ring，主要是保護wafer的edge和center部位有接近相當(dāng)量的離子轟擊。因為在刻蝕系統(tǒng)中，plasma是在高真空中進行，上下極板之間有空隙，如果下電極和晶圓一樣大小，那么plasma在真空系統(tǒng)作用下，靠近外緣的plasma就會泄露，導(dǎo)致wafer edge部位能量減少。因此需要把下部做大點，由于電極不能比wafer大，于是就在電極的外面再安裝一個圓環(huán)，一般采用硅、石英等材質(zhì)制作，是一種耗損件，如圖9所示，等離子體刻蝕過程中會同樣刻蝕在top edge ring上。

通過多次設(shè)備維護保養(yǎng)時的觀察，發(fā)現(xiàn)在托臂上方top edge ring上的polymer淀積得比較多，而polymer淀積厚的區(qū)域正對應(yīng)著defect密集區(qū)域，而多晶硅柵極刻蝕制程是polymer產(chǎn)生很多的工藝制程，分析可能是托臂處抽速過低，阻擋了polymer被真空泵順利抽走而堆積在top edge ring上方，在多晶硅刻蝕過程中經(jīng)過高偏壓的轟擊而濺射在wafer邊緣的柵極線條之間，影響后續(xù)刻蝕造成部分刻蝕缺陷。

3 多晶硅刻蝕缺陷解決實驗

3.1 惰性氣體流量對刻蝕缺陷影響

鑒于邊緣部分阻擋刻蝕缺陷的來源是由刻蝕過程中polymer過多導(dǎo)致的。嘗試在各個主要刻蝕步驟后添加惰性氣體來稀釋刻蝕過程中產(chǎn)生的刻蝕副產(chǎn)物氣體，弱化polymer的產(chǎn)生，如圖10所示為添加惰性氣體后惰性氣體會在ESC單托臂上方稀釋刻蝕副產(chǎn)物氣體，從而減少多晶硅刻蝕的刻蝕污染顆粒源。

本案例中使用He作為惰性氣體進行實驗分析，使用10sccm、20sccm和30sccm3個分批實驗分析，具體結(jié)果如圖11所示。從圖11可以發(fā)現(xiàn)，隨著在多晶硅主要刻蝕步驟后增加惰性氣體流量可以一定程度地改善ESC單托臂區(qū)域處的刻蝕缺陷，這是由于惰性氣體的加入可以有效地稀釋多晶硅主要刻蝕步驟產(chǎn)生的刻蝕副產(chǎn)物氣體，減少在單托臂區(qū)域上方top edge ring表面polymer的沉積，從而降低HM刻蝕過程中polymer被離子轟擊而濺射到晶圓表面的機率，但是僅靠在主要刻蝕步驟后增加稀釋氣體流量不能完全解決ESC單托臂區(qū)域處的刻蝕缺陷問題，這是由于在主要步驟刻蝕過程中已經(jīng)有部分刻蝕副產(chǎn)物氣體聚集成polymer沉積在單托臂區(qū)域的top edge ring表面，在主要刻蝕步驟之后加入惰性氣體只能稀釋剩余的副產(chǎn)物氣體，這樣雖然有減輕polymer的沉積，但是難以起到根除的作用[6-9]。

3.2 硬質(zhì)掩模層（Hard Mask）刻蝕偏壓對刻蝕缺陷的影響

鑒于邊緣部分阻擋刻蝕缺陷的產(chǎn)生是由于在HM刻蝕步驟中，過強的物理轟擊造成polymer濺射產(chǎn)生的。嘗試在HM刻蝕步驟減弱物理轟擊作用。物理轟擊是由于等離子體的大質(zhì)量離子在電場作用下加速產(chǎn)生動能向晶圓表面移動，在晶圓表面正離子轟擊晶圓表面材料，產(chǎn)生刻蝕效果[10]。

本案例中使用的偏壓時67V，實驗使15V、30V、40V、50V、60V、70V做實驗分析，具體實驗結(jié)果如圖12所示。

從圖12中可以看到，隨著HM刻蝕偏壓的增大，ESC單托臂區(qū)域處的刻蝕缺陷變得越來越嚴(yán)重，在HM刻蝕偏壓小于40V時，ESC單托臂處沒有發(fā)現(xiàn)多晶硅的刻蝕缺陷；在HM刻蝕偏壓大于40V時，ESC單托臂處開始出現(xiàn)刻蝕缺陷并且隨著偏壓的增大刻蝕缺陷變得更加嚴(yán)重，這主要是由于HM刻蝕偏壓小于40V時，物理轟擊作用較弱不足以將top edge ring表面的polymer轟擊而濺射到附近晶圓表面；當(dāng)HM刻蝕偏壓大于40V時，強烈的物理轟擊作用可以使得top edge ring表面的polymer被轟擊成微粒子而濺射到附近晶圓表面，從而產(chǎn)生后續(xù)的多晶硅刻蝕缺陷。

根據(jù)實驗研究結(jié)果綜合刻蝕速率和刻蝕側(cè)壁形貌調(diào)整，選擇HM偏壓為35V作為刻蝕HM步驟的偏壓，相應(yīng)地通過HM trim步驟調(diào)節(jié)橫向刻蝕時間來控制多晶硅柵極線寬大小。通過在工程片上進行多晶硅柵極工藝刻蝕，與基礎(chǔ)條件多晶硅柵極刻蝕后形貌相比發(fā)現(xiàn)，新條件刻蝕多晶硅柵極同樣可以得到“筆直”的側(cè)壁形貌和目標(biāo)線寬尺寸，整體CD大小和角度與基準(zhǔn)條件相匹配，如圖13所示。

4 結(jié)語

本文通過分析工藝參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)以及defect特點，來探討defect產(chǎn)生的原因，再確定刻蝕缺陷是由HM刻蝕步驟中離子轟擊聚合物濺射到晶圓表面產(chǎn)生的，通過調(diào)整HM刻蝕步驟偏壓降低離子轟擊強度，成功地消除了刻蝕制程中反應(yīng)生成物轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘Ｗ游廴具@一問題。既解決了ESC單懸臂位置處刻蝕缺陷這一問題，同時有效地將設(shè)備維護保養(yǎng)時間也從100h提高到200h。

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