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低挥发刻蚀产物淀积平衡的变化 - 上腔室窗口温度对STI刻蚀工艺的影响
来源：本站整理
作者：秩名日 17:09
[导读] 低挥发刻蚀产物淀积平衡的变化 淀积平衡的变化似乎是观测到的刻蚀终止现象最貌似合理的解释。在用Cl2/O2化学品刻蚀Si过程中，可能会形成某些低挥发刻
低挥发刻蚀产物淀积平衡的变化
　　淀积平衡的变化似乎是观测到的刻蚀终止现象最貌似合理的解释。在用Cl2/O2化学品刻蚀Si过程中，可能会形成某些低挥发刻蚀产物。这些产物再淀积在腔壁、上窗口和晶圆上。但是，晶圆上再淀积产物数量少时，它们会被等离子刻蚀掉。当上窗口温度增加时，淀积平衡就因晶圆比窗口温度低而发生偏移，低挥发产物更倾向淀积在晶圆上。到达某一点，淀积超过刻蚀，就发生刻蚀终止。
　　在刻蚀终止区域的所有结构上都观察到厚25nm的薄膜，见图3。比较同一晶圆的不同区域(刻蚀终止-左面、刻蚀完成-右面)可以发现，薄膜不仅淀积在顶部Si表面，而且淀积在Si3N4上。在各结构的侧壁上亦观测到此薄膜。
　　淀积层大多是含百分之几Cl的SiO2一类。像SiO2一样，它很容易用HF水溶液去除，TOFSIMS显示存在Si、O和Cl(图4)。薄膜/Si界面处的Cl浓度增加，这一现象解释如下。当Si用氯气刻蚀时，在表面上形成富Cl层。薄膜淀积在Si表面顶部时，富Cl层埋入淀积薄膜下面。
　　用椭圆偏振光谱仪进行的薄膜厚度测量结果也支持上述再淀积理论。刻蚀体Si时，薄膜厚度随刻蚀时间线性增长(图5)，一个典型的淀积行为。Si源有限(在SiO2上淀积200nmSi)时，无Si留下产生刻蚀产物，薄膜生长终止。O2浓度过高(50sccm)时，刻蚀终止几乎发生在整个晶圆上，且造成刻蚀产物的可用Si数量亦是有限的。随晶圆温度增加而刻蚀终止减少也支持淀积理论--在较热的表面淀积比较不明显。
　　对于刻蚀终止随上石英窗口温度增加而出现的最可能解释是，一些低挥发刻蚀产物(可能是SiOxCly一类物质)淀积平衡的改变。窗口温度与晶圆温度(60℃)相当时，低挥发刻蚀产物淀积在晶圆和窗口上。一旦窗口温度上升高于85℃，低挥发刻蚀产物优先淀积在此时温度低于窗口的晶圆上，引起刻蚀终止。
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Matrix 303 等离子刻蚀机
制造商: Matrix
成色: 由Allwin21全面翻新并升级
晶圆尺寸: 3&P/4&P/5&P/6&P
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Allwin21 Corp | 版权所有导读：电路通过图形密度的增加和工艺层数的增加升级到了超大规模的水平，随着各种各样的工艺层被刻蚀成图形，使用简单的单层光刻胶工艺想达到亚微米图形（特别是0.5微米以下）的分辨率几乎不可，这些技术包括复层光刻胶工艺，工艺层平整化，复层光刻胶工艺在这个工艺转变的时期还是很有用的，先进光刻胶工艺，在第八章和第九章里介绍的十步光刻工艺是基于单层光刻胶基础上的，亚微米时代已经迫使单层光刻胶工艺不得不向多样化发展
电路通过图形密度的增加和工艺层数的增加升级到了超大规模的水平。随着各种各样的工艺层被刻蚀成图形，晶圆表面变得高低不平。这些高低不平的平面各自具有不同的反射性质。在这样的表面条件下，使用简单的单层光刻胶工艺想达到亚微米图形（特别是0.5微米以下）的分辨率几乎不可能。一个问题就是景深问题。景深有限的镜头不能使高平面和低平面的图形同时得到很好的曝光。另一个就是在阶梯处由光反射造成的金属图形凹口（图10.17）。在表面地形复杂的晶圆上，目前有许多平整化技术被使用。这些技术包括复层光刻胶工艺，工艺层平整化，回流技术，还有化学-机械研磨。目前最受关注的是化学-机械研磨(CMP)，通过它可以使用单层光刻胶便可以得到理想的图形。然而，复层光刻胶工艺在这个工艺转变的时期还是很有用的。
图10.17图形阶梯处光反射 Mask掩膜版 Resist光刻胶 Metal金属 Substrate底基
先进光刻胶工艺
在第八章和第九章里介绍的十步光刻工艺是基于单层光刻胶基础上的，同时假定单层光刻胶可以得到需要的图形，刻蚀不会产生针孔或其它缺陷。亚微米时代已经迫使单层光刻胶工艺不得不向多样化发展，而且这些发展往往和曝光机的发展交织在一起的。
复层光刻胶/表面成像
目前有很多种复层光刻胶工艺。工艺的选择取决于光刻胶需要打开的图形尺寸和晶圆表面状况。尽管复层光刻胶工艺增加了额外的工艺步骤，但在某些场合它是唯一能达到规定图形尺寸的方法。复层光刻胶工艺往往先在底部用厚的光刻胶来平整晶圆表面，图形一般先在上面一层光刻胶形成。因为晶圆表面是平的，用这种表面成像方法可以得到很小尺寸的图形，避免了阶梯图形的反射和景深问题。
双层光刻胶工艺使用两层光刻胶，每一层的光刻胶性质各不相同。此工艺适用于复杂表面晶圆的图形成像。首先，在晶圆表面涂一层相对比较厚的光刻胶并烘焙至热流点（图10.18）。典型的厚度为晶圆最大图形梯度的三到四倍，目的是形成平坦的光刻胶表面。典型的复层光刻胶工艺一般使用对深紫外光敏感的正反应聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃/PMMA）。
双层光刻胶工艺
开始 1. 涂第一层 2. 烘焙第一层引起轻微流动 3. 涂第二层，进行显影工艺 4. 第一层无掩膜曝光 5. 第一层显影 6. 刻蚀和剥离
接着，在第一层光刻胶的上面，再涂一层相对比较薄的对紫外光敏感的正胶。这一层薄光刻胶避免了厚胶的不利因素和晶圆表面的反射光的影响，可以达到很好的分辨率。因为上面一层的光刻胶依底层光刻胶的形状变化而变化，所以上面一层光刻胶也被称为共形层或便携式共形层（portable conformal layer）。上面这一层光刻胶作为辐射的阻挡层，下面一层不会感光。然后使用覆盖式或泛光深紫外曝光（无掩膜版），使下面的厚正胶感光，从而将图形从上面一层光刻胶转移到了下面一层。显影后，晶圆就可以刻蚀了。
对两种光刻胶的选择是相当复杂的，需要考虑反射问题，驻波的影响，PMMA的敏感度（13）。还有，两种光刻胶必须有兼容的烘焙工艺和相互独立的显影剂。 在基本的双层光刻胶工艺基础上，引申出了PMMA添加染色剂和在第一层光刻胶下面使用防反射层等工艺。许多引申出来的工艺都已非常成熟。其中一种是使用双层光刻胶工艺作为一种底基剥离技术。通过调整下面一层的显影控制，可以得到突悬结构，它可以帮助在晶圆表面更好地定义金属线（插图10.19）。
图10.19 原书中插图不对
三层光刻胶工艺（图10.20）在原来的两层光刻胶之间引进了一层“硬”层。这层“硬”层可能是二氧化硅或其它抗显影剂物质。与双层光刻胶工艺相同，图形是先在上面一层光刻胶形成。接着，图形通过传统的刻蚀工艺转移到中间“硬”层中。最后，使用“硬”层作为刻蚀掩膜版，将图形转移到底层。由于使用了“硬”层，底层可以使用非光刻胶物质，比如聚酰亚胺。
图10.20三层光刻胶工艺
开始 1. 涂第一层 2. 烘焙第一层引起轻微流动 3. 引入“硬层” 4. 顶层光刻胶的旋转，曝光和显影 5. 刻蚀硬层 6. 无掩膜曝光显影，平整层 7. 刻蚀表层
硅烷化作用/DESIRE工艺
DESIRE工艺是一种新颖的工艺过程14（图10.21）。就象其它的复层光刻胶工艺一样，DESIRE也是平整晶圆表面，在表层形成图形。DESIRE（扩散加强硅烷化光刻胶）工艺使用标准的紫外光曝光表面层，在这一工艺中，曝光只局限于表层。然后，将晶圆放入反应炉（参看蒸汽预处理烘焙15）中暴露于HMDS，发生硅烷化反应（silyation process）。通过这一步，硅混入曝光区域。硅烷化区域在干法显影和各向异性RIE刻蚀（第九章）中变成了掩膜版。在刻蚀工艺时，硅烷化区域变成二氧化硅，形成了更坚固的刻蚀阻挡层。这种只在最上一层定义图形的技术称为顶面成像（TSI，top surface image）。
图10.21 DESIRE工艺（源自：Solid State Technology, June 1987）。
Exposure曝光 Plasmask 等离子掩膜 Substrate底基 Exposed 曝光后 Silyated硅烷化 Silyation 硅烷化
Plasma development 等离子显影 Silicon dioxide二氧化硅
聚酰亚胺平整层
聚酰亚胺在印刷电路板生产中已经被使用许多年了。在半导体生产中使用它，主要是用它增强二氧化硅的绝缘效果，而且在晶圆上涂聚酰亚胺与涂光刻胶使用的设备相同。16
将聚酰亚胺涂在晶圆表面后，由于聚酰亚胺的流动会使晶圆表面变得更平整，然后可以在聚酰亚胺上面覆盖其它物质。聚酰亚胺可以象光刻胶一样与化学物质反应从而得到图形。聚酰亚胺用途最广的是被用于两层金属之间的绝缘层。由于聚酰亚胺的平整性使得第二层金属层的图形定义变得容易。
回刻平整被用于局部平整（图10.22）。金属线形成后，在上面加盖一层厚的氧化物，并在氧化物上涂光刻胶。然后使用等离子体刻蚀。首先薄的光刻胶先被刻蚀光并开始刻蚀氧化物。接着厚的光刻胶也被刻蚀光而且一些氧化物也被刻掉。这样可以得到局部平整的表面。
图10.22回刻平整化
Wafer晶圆 Metal lines金属线 Oxide氧化物 Resist光刻胶 Etch resist and top layer of oxide刻蚀光刻胶和顶层氧化层
铜制程工艺
随着器件密度的增加，金属的层数也不得不随之增加。在各金属层之间使用导电介质连接，导电介质被称为连接柱或连接栓。钨是很好的金属材料，但对它的刻蚀比较复杂。目前，铜逐渐代替了铝来作为金属导体，但铜的工艺又引入了一大堆新的问题。一种既使用铜又能同时作出连接柱的办法称作铜制程（dual damascene）。它是一种嵌入式工艺过程，首先使用传统的光刻工艺刻出沟道，然后用所需的金属填充沟道。金属淀积并溢出沟道覆盖晶圆表面。接着使用CMP（化学机械研磨）将溢出的金属磨去，只留下沟道内的金属线（图10.23）。第十四章将详细讲述这一重要图形形成技术。
图10.23铜制程工艺 Wafer晶圆 Interdielectric layer中间绝缘层 Metal line 金属线 Plug连接栓 Metal fill金属填充 CMP removal of “overfill”CMP去除溢出的金属
化学机械研磨（CMP）
以上讲述的平整化方法都是局部平整化而不是晶圆整体表面平整化。小尺寸图形由于光散射的影响还是很难做出来。而且由于还存在表面阶梯，就还存在阶梯处金属覆盖不好的问题。化学机械研磨不仅在晶圆制备阶段被采用（第三章），而且在晶圆加工工艺过程中也被用来做晶圆表面整体平整化。 化学机械研磨之所以受欢迎是因为：17
**可以达到晶圆表面整体平整化 **研磨移去所有表面物质 **适用于多种物质表面 **使高质量的铜制程和铜化金属层成为可能 **避免了使用有毒气体 **费用低
晶圆研磨和平整化基本使用相同的工艺（图10.24）。晶圆被固定在旋转机台上。一个旋转研磨垫（rotating polishing pad）被加压压在晶圆表面上，磨粉浆（slurry）流过机台和晶圆表面。晶圆表面物质被磨粉颗粒一点点磨去，并被磨粉浆冲走。由于机台旋转，研磨垫旋转和磨粉浆的共同作用使晶圆表面抛光。表面高处首先被抛光，接着是低的地方，这样就达到了平整化的目的。以上是机械研磨。
图10.24化学机械研磨（CMP） Polishing pad研磨垫 Slurry 磨粉浆 Wafer晶圆 Platten机台
然而，只有机械研磨自身是无法满足半导体工艺对晶圆的要求的，因为晶圆表面受到了过多的机械损伤。通过对磨粉浆的选取，可以减少这种损伤，因为磨粉浆中的化学物质可以溶解或刻蚀一些表面物质。化学侵蚀一般是通过氧化作用将表面腐蚀掉。与之相似的是熨斗的生锈机理，它就是一种化学侵蚀。当熨斗接触氧气时，它的表面会长上一层锈。然而正是这层锈将熨斗表面与水中或空气中的氧气隔离开，从而减缓了进一步生锈过程，这就是化学与机械共同作用的结果。磨粉磨去腐蚀层而露出新鲜表面，新鲜表面与化学物质反应生成新的腐蚀层，这样不断反复。化学机械研磨之后，有一步洁净处理（post CMP cleaning)以保证晶圆的洁净。 衡量化学机械研磨的几项主要指标：
**表面平整度 **表面机械条件 **表面化学性质 **表面洁净度 **生产率 **费用
研磨垫由铸型用聚亚安酯泡沫材料和填料，聚亚安酯填充毡，或其它一些特殊材料制成。研磨垫最重要的特性是具有多孔性，压缩性和硬度18。多孔性，一般用比重来衡量，控制研磨垫的微孔输送磨粉浆能力和孔壁去除物质的能力。压缩性和硬度是衡量研磨垫适应晶圆不规则表面的能力。一般来说，研磨垫越硬，平整度越好。包含总结汇报、人文社科、办公文档、资格考试、外语学习、党团工作、word文档、文档下载、教程攻略、专业文献以及第十章_高级光刻工艺等内容。本文共5页
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