等离子刻蚀中的硅片表面均匀性控制技术演进 

作者：Stephen Hwang, 泛林集团技术总监

Keren Kanarik, 泛林集团资深技术总监

通过控制工艺误差取得可重复的结果，对于提高产品良率和器件性能而言非常重要。随着技术更新以及带来设计规则变化时，需要有更严格的工艺控制。工艺误差有多种来源，其中包括芯片内部、整个硅片、硅片之间，以及刻蚀腔之间的误差。通常情况下，硅片表面的工艺误差不得超过工艺误差总量的三分之一。例如，在 14 纳米节点上，栅极关键尺寸 (CD) 的允许误差不能超过 2.4 纳米，这意味着其中硅片表面的允许误差仅为约 0.84 纳米^[1]。在 5 纳米节点上，硅片表面的允许误差可能小于 0.5 纳米，相当于两到三个硅原子的大小。在本文中，我们将探讨等离子刻蚀工艺中硅片表面均匀性的控制技术、行业内这一技术的演进以及一些业内关注的重点问题。

刻蚀工艺均匀性控制所面临的一个基本挑战是等离子体的复杂性。为达到所需的刻蚀结果（例如，对不同薄膜材料选择性刻蚀以得到所需的轮廓），要控制不同离子与中性粒子的比率（例如，Ar⁺, C₄F₈, C₄F₆⁺, O, O₂⁺）。因为同一等离子体会产生这两种类型的粒子，离子与中性粒子的相对数量强烈耦合，所以常用于控制等离子体的参数（例如，源功率和腔体压力）的影响也相互依存。

通过设计改进均匀性

自上个世纪 80 年代初开始采用单片制造工艺时起，刻蚀腔的设计就需要在硅片上所有位置产生相似的等离子体条件，以实现均匀一致的工艺结果。但在实际操作中这一目标非常具有挑战性，因为硅片边缘存在固有的电场和化学不连续性（图1），这会影响硅片表面的均匀性。由于偏压表面至接地表面和悬浮表面之间存在电势变化，硅片边缘会产生电压梯度，这会使硅片边缘的等离子体鞘层弯曲，从而改变离子相对于硅片的运动轨迹。化学势的不连续性也与此类似，使硅片表面不同粒子之间产生浓度梯度。产生这种梯度的原因有多种，包括中心位置与边缘位置反应物消耗率和副产物排放率的不同，以及刻蚀腔与硅片之间因温度不同而造成对化学粒子的吸附率不同等。

图1. 硅片边缘造成的不连续性导致梯度变化，并影响整个硅片表面的均匀性，而这对边缘部分影响更加显著。

多年来，很多刻蚀腔体的设计已经被采用，以提高其径向对称性（图2a）。例如，电容耦合等离子体 (CCP) 刻蚀腔的一项关键硬件参数是阴极与阳极之间的间隙。传统上，该间隙的设计目标是在给定功率、压力和化学气体混合物的条件下提供均匀性最好的刻蚀效果。对于感应耦合等离子体 (ICP) 刻蚀腔，气体注入位置是一项关键设计特征，并随着使用的工艺不同而不同。在铝刻蚀腔内，反应气体会从位于硅片上方的喷头注入。对于硅刻蚀，以前是将反应气体从硅片周围注入，但后来演变为从硅片中心上方位置注入。

随着刻蚀腔设计不断优化，非径向分布变得更加明显。在均匀性分布图中，可算出每个半径范围内所有点的平均值，将其从该图中减去，所得到的就是较难处理的不对称部分（图2b）。有了这种认识，刻蚀腔设计的重点便转向了消除不对称性。

图2. 工艺不均匀性具有径向和非径向部分 (A)。在整体不均匀性的硅片分布图上，去掉径向不对称部分即可分离出更具挑战性的非径向部分 (B)。

现在回想起来，这些改进似乎是显而易见的。例如，直到上个世纪 90 年代末，在刻蚀腔中硅片旁边设置涡轮分子泵成为一种普遍的设计。在这种设计中，由于在硅片表面存在反应物和副产物气体的横向对流，因而会产生横向图案。将泵移到硅片下方后，这种流动即变为径向对称，从而消除了该工艺的不对称性。

在其他情况中，产生不对称性的缘由更加微妙。在通过设计来纠正不均匀性过程中，发现了一个有趣的现象：不同刻蚀腔硅片上有问题的横向图案似乎为随机取向。为了消除刻蚀腔硬件中可能存在的干扰源，进行了广泛研究，结果发现该图案与地球磁场有关（图3）。这一现象充分展示了等离子工艺的敏感性，即便是轻微的外部变化也会产生影响。虽然这并非具体的刻蚀腔问题，但通过在刻蚀腔周围使用高导磁率材料制成的特殊屏蔽层，这一问题得到了解决。

图3. 在刻蚀工艺中发现了由地球磁场感应造成的不均匀性 (A)。采用磁屏蔽措施纠正了该问题并提供了均匀的刻蚀效果 (B)。

工艺调节能力的发展

随着刻蚀工艺的日益多样化和复杂化，固定式刻蚀腔设计的灵活性已不能满足日益严格的要求，因为它无法为每一种刻蚀工艺提供优化的特定均匀性套件。此外，在二十一世纪初，当刻蚀技术所处理的硅片从 200 毫米过渡至 300 毫米时，实现均匀性所面临的挑战就更大了。这也推动了工艺调节能力的发展，以便在宽泛的工艺范围以及更大尺寸的硅片上实现所需的均匀性控制。

在二十一世纪初，首个均匀性调节措施侧重于硅片表面的化学控制。该过程通过数种方式来实现，例如将主反应气体分配到不同位置或将调节气体添加到主反应气体的各个位置。自那时起，确定了刻蚀工艺的一些可调参数（表1）。理想情况下，采用独立的参数调节，尽可能从本源上提供精确的补偿。这既对工艺产生最大效果，又限制了对其他参数的影响。例如，在许多电介质刻蚀工艺中，刻蚀速率的均匀性是由等离子体离子通量的均匀性所决定。由于气体注入不会显著影响等离子体密度均匀性，因此泛林集团为电容耦合等离子体 (CCP) 刻蚀腔开发了可调节电极间隙技术，以便在给定成套工艺条件下实现硅片表面均匀的离子通量。

表1. 可调刻蚀参数

多年来，人们围绕提高空间分辨率持续不断地投入了大量开发精力，以实现对硅片表面的更好控制。例如，一开始只是从硅片上方的中心位置注入气体。然后增加了新的功能，用以控制流向硅片中心或边缘的气体比率。数年后，又增加了围绕硅片周围注入附加气体的功能。通过硅片温度控制，可以在固定硅片的静电吸附电极 (ESC) 上增加不同的加热或冷却区。过去，温度控制区的数量从一个增加到两个（2002 年），随后又增加到四个径向区（2006 年），以改善关键尺寸的径向均匀性。由于温度会直接影响关键尺寸均匀性 (CDU)，该方法能有效帮助我们应对最关键的均匀性挑战之一。

如今，某些最复杂的工艺流程依赖于这些精致的调节功能。3D FinFET 器件、先进的存储方案以及双重/四重图形技术等创新技术，在不断推动工艺尺寸缩小的同时，也增加了在集成流程中降低工艺误差的难度。即使单个单元工艺（包括刻蚀）的均匀性比较好，各阶段工艺组合后误差的影响仍可能非常显著，因此需要在流程的某个环节中对此进行补偿。

当已知工艺流程（上游或下游）中某个步骤的轮廓均匀性难以改正时，可通过刻蚀步骤加以修正。例如，流程中的某个步骤导致中心位置刻蚀速度快，则可以通过加快边缘刻蚀速度来进行补偿。这可能听起来很简单，但实际上要实现该级别的工艺控制是相当困难的，那基本上就是为另一个工艺中的不均匀性提供镜像。幸运的是，等离子刻蚀是一种能够实现该控制级别的成熟工艺。

如今的均匀性控制

经过多年的创新，如今的均匀性控制能力具有以下特点：

·         高度单元化（硅片表面有无数独立的调节位置）

·         径向和非径向图案的主动调节

·         刻蚀工艺上游和下游的不均匀性补偿能力

为了实现所需的控制级别，泛林集团采用的一种策略是提供大量的独立加热器或加热微区，用以控制影响关键尺寸均匀性的关键参数，也就是硅片温度。例如，相比于整个硅片上只使用两个或四个加热区的系统，在一个刻蚀腔中使用超过 100 个局部加热器可显著提高空间分辨率。通过控制大量单独的加热器可以调节径向和非径向图案，而在上一代工艺中，只能执行中心-中间-边缘调节（图 4）。

图 4. 主动均匀性控制是从硅片大片区域有限径向调节到硅片表面较小区域独立调节演化而来的，可以同时实现径向和非径向的均匀性控制。

由于这种高度单元化，仅由一名工程师以手动方式为如此多的加热单元确定相应的加热设置是相当困难的。为了解决这个问题，先进的算法和采用特殊温度校准的控制措施被开发出来，以便系统可以自动控制这些加热单元。此外，由于确定实现所需工艺均匀性的加热分布图对个人而言也十分困难，为此人们开发了复杂的软件算法，以利用工艺趋势、刻蚀腔校准数据以及硅片计量信息来自动创建相应的温度分布图。借助此功能，刻蚀后产生的不均匀性可降低到 0.5 纳米 CDU 以下（图 5）。

图5. 专有硬件和软件可测绘输入关键尺寸并调节硅片表面上众多微区的刻蚀工艺条件，以补偿上游工艺所造的工艺误差。

未来重点领域

除了上面讨论的不均匀性挑战外，硅片边缘（外侧 10 毫米，多达10% 的晶粒位于该区域）性能也因提高良率的需要而成为今后要关注的重点领域。在该区域内，均匀性控制主要由硅片边缘可造成等离子体鞘层弯曲的电场不连续性所决定。与化学或热效应（分别为 50-70 毫米或 30-50 毫米）相比，等离子体鞘层弯曲的影响区域要小得多（距边缘 10-15 毫米）。人们可以通过重新设计固定边缘硬件以实现最佳均匀性。同时，工程师们也在研发新的技术，以便为硅片边缘的等离子体鞘层提供“原位”可调性。

展望未来，我们可以预见到会有更多不同类型的控制措施和更进一步的单元化，以实现更精细的工艺调节，并进一步推动工艺自动化。随着工艺模块复杂性日益增加，补偿工艺控制也应继续发展并不断投入使用。

参考资料

1. ITRS 2013：表 FEP 12 刻蚀工艺技术要求