lD22192
学校代玛
学
弓
梗旦大学
硕士学位论文
(专业学位) IC制程巾氮化硅薄膜及相应氧化硅膜腐蚀工艺和机理研究
院
系(所)：
业： 名：
信息科学与工程学院
电子与通信工程 专 姓
王明琪 指导教师：
丁士进副教授
完成口期：
2006年10月20口
论文独创性声明
本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。
作者签名
至盟堕
日期：型：竺：．兰
论文使用授权声明
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作者签名：至堕丝导师签名“：j丝．日期： 洒b?lt．>
摘要 本论文对集成电路制造工艺中，氮化硅膜和氧化硅薄膜的湿法腐蚀工艺和
机理进行了研究。研究的重点是如何控制热磷酸(H。PO。)药液在腐蚀氮化硅膜的 同时，其对氧化硅膜的腐蚀影响，并如何将这一关系合理地运用至《实际生产中， 以提赢生产效率同时改善产品的品质。
对于STI隔离结构的腐蚀，在彻底腐蚀氮化硅膜的同时还需要确保隔离槽 内高密度等离子体化学气相淀积(}{DP)的氧化硅膜具有一定的高度；此外还要 防止H；PO。药液中Si0：颗粒析出而污染产品。因此本论文采用H，PO。部分药液交 换的方法对氮化硅膜和氧化硅膜的腐蚀特性进行了评价，包括初期的假片评价 及应用于小批量生产后的继续监控，从而获得了理想的部分药液交换频率和交 换量。即通过改变‰PO。药液的液交换方法(液交换频度从30个批次缩短到15 个批次；液交换的量从全槽药液loo％交换变为交换28％量的药波)，从丽有效地 改善了由于H：，P氓药液中由于Si离子浓度饱和而引起的二氧化硅颗粒的析出问 题；嗣时，部分药液交换后使褥H{PO。药液对∞P氧化硅膜腐蚀速率升高到 O．5A／min左右，接近于STI结构中氮化硅膜腐蚀时H：，PO。药液对HDP氧化硅膜限 定的腐蚀遽率规格(<0。5A／min)，从而达到了最佼的药液使用效率和设备生产 效率之间的组合。
对于某些特殊结构的产品，＆口氮化硅膜用作为栅氧化硅氧化的阻挡层，由 于产品玎发初期的工艺问题，导致由于表面氧化硅膜腐蚀不充分而引起的氮化 硅膜残留的异常。故需要对两步湿法腐蚀的条件(氮化硅膜的腐蚀和表面氧化 膜的腐壤)进行羹薪确定。遂过对正常产晶兹水准分割评价及实验晶上的恶化 条件确认，延长了第一步的氧化硅膜腐蚀时间从3．5min到4min，同时对氮化硅 膜腐蚀时HDP氧化硅膜的腐蚀速率规格进行了优化，从O．卜lA／min变成
中图分类号：TN405 1 Abstract Carried out so辩e rese＆rch fOr the Nitride wet etching and eorrelative 0xide wet etching p!‘ocess in the IC fabrication technologv+ Th r+oug}l the evaluation of H3P0d(Phosphoric Acid)chemical Dartial exchange 塾ec(1ess than 0．5矗／讯in)，so it cou王d reach the bes专effect two main change points for enh8ncin量 the equipment manLlfactL1re efficiency。 There is for partial cheIfiical exchange． One is ehemical exch8nge frequency fro热30 batches to 15 batches：another one is cheflli(：al exchange amount rrom lOO％to 28％． For so玎Ie special strueture product， implemented￡}1e evaluation for the two step wet wet etching process(Nitride wet etching＆surface na“ve the noI’}nal product split evaluation o羔i垂e and etohing)，inclIJding worst case confirm by 1、E(；wafers，avoided the Nitride residue abnormaIitv due to the i rladequate etching process II】argin，and optimized the Nitride etch proeess step， Furthermore， t聂e feasibi!ity of ne带etching弦oc8ss has been verified Cic transistor characteris at the final yield testing and measurement。 丁here is also tw。main cha舅ge points for the new we毛etching proces8． ()ne is prolong the surface oxide etching ti豫e from 3。5m{n屯o the HDp rate spec froll】O．1一lA／nlin to<1A／4min：another one i s broaden 玎1in． 嚣ey％rds：娜i专ride：Oxide：P8}tial ehemicai exchange：Phosphorie是cid Class{fi eTN405 程Code： 2 日U看 在集成电路工艺制造中，瀑法氮化硅膜(Si。‰)腐蚀的工艺步骤在局部氧化 (LOeOs，Local Oxidation)矛口浅结隔离(STI，Shallow Trench Is01ated) 技术中普遍使用：同时，在一些特殊结构器件的制程中也会用到氮化硅膜腐蚀技 术。因为氮化硅膜可以作为硅基板氧化时的阻挡层，从而起到隔离器件的作用 (氮化硅膜上的氧化速率较硅基板上氧化速率很慢)。在器件隔离形成后即需要 将氮化硅膜完全腐蚀掉，否则会影响后续的氧化工序而导致整个器件的失效。可 见，氮化硅膜的腐蚀在整个工艺流程中是十分重要的。 对于采用sTI隔离结构的产品，由于产品工艺的要求，需要保证沟槽内H卯 氧化貘相对予硅基板平面的突出量，故在进行氮化硅膜瘸蚀时需要限定H．，P0。 对∽P氧化膜相应的腐蚀这塞((O．5A，／min)。但随之而来产生了由于HspO一药液 中由于si离子浓度饱和而引起的SiO：颗粒析出的问题，影响了产品品质。通过 进行H；P0。药液部分交换方法的评价，包括初期的假片评价和应用于小批量生产 后的继续监控，可有效的改善SiO。颗粒析出的问题，同时与提高设备的生产效 率紧密结合，验证了其适用于大批量生产的可行性。 对于某些特殊结构的产品，它需要使用氮化硅膜作为栅氧氧化的阻挡层。 [；；l；于初期产品开发时的氧化膜腐蚀量的不充分，导致了后续氮化硅膜残留异常 的发生。通过对两步湿法腐蚀约条件(氮化硅膜的腐蚀和表露氧化膜的腐蚀) 避行评价，既可以有效的杜绝由于氧化膜腐蚀的不充分而引起的氮化硅膜残留 的异常；又优化了氮化硅膜腐蚀时H，；PO。对于氧化膜腐蚀速率的规格限定，有效 提高了设备的生产效率。同时，进行实际产品和实验品的恶化分割实验，确认 其膜厚状况及最终的产品良率与晶体管特性参数，验证了新的腐蚀条件适用于 批量生产的可行性。 本论文是笔者通过在FAB工厂内亲历的具有实战经验的2个课题项目，对 IC制程中氮化硅薄膜及檑应氧化膜腐锤工艺和机理加以研究。上述该2个课题 项目尚有可被继续挖掘的潜力，故在今后工作中可将该课题研究不断地进行深 入并在实际生产中得以更有效的应用。 第一章 研究课题及相关鹜景的余绍 1．1课题背景 在集成电路工艺制造中，通常采用局部氧化(LOcOS，Local Oxidation)和 浅结隔离(STI，shaHow Treneh Isolation)来实现有源区的隔离，并采用氮化 硅膜(si．刘。)对有源区进行覆盖帮镰护，如图卜1和图卜2所示。在完成氧化硅 隔离后，需要将有源区的氮化硅膜完全腐蚀掉，而湿法刻蚀工艺是一种在集成电 路制造中被普遍使用的方法。此外，在一些特殊结构器件的制程中也会遇到氮 化硅膜的刻蚀问题。因此，在器件隔离形成后，能否有效地腐蚀氯纯硅膜将决 定器件性能的好坏、良品率的赢低以及可靠性。可见，氮化硅膜的刻蚀在整个 工艺流程中是十分重要的。 图卜2孵I结构 对于图卜l LOCOS结构 I．OCOS结构的器件，由于在硅基板进行纵向氧化形成场隔离区域的同 时，还存在着硅的横向氧化过程，从而将影响器件的有效宽度，减小晶体管的 驱动电流：但是L0cOs的隔离方法工艺较篙单，而且成本低。对子sTI结构的 器件，由于是使用浅沟槽的方法进行隔离，故不会影响到器件的有效宽度，从 而保证了晶体管的特性参数(包括驱动电流和阈值电压等)。但是由于使用到化 学机械抛光(cMP)的表面平坦化技术，所以其工艺较为复杂，而且成本较高。 未来的发展趋势必将是线宽在O．25um以下能器件的隔离技术将普遍采用STI的 方法，因此与STI工艺相关的氮化硅膜和氧化硅膜的刻蚀将更加重要。 l，2湿法腐蚀氮化硅膜现状 在Ie工艺流程中，湿法刻蚀(wet etching)是一个纯粹的化学反应过程。 它具有较高的腐蚀选择比、对硅基板较小的损伤的优点，同时又存在着严重的 缺点：各向同性、工艺控制难和过度的颗粒沾污。 氮化硅膜腐蚀通常所采用的腐蚀液是浓度为85％以上，温度在140至200 摄氏度的磷酸，可以获得较为实用的氮化硅膜的刻蚀速率，同时对氧化硅膜和 醚基投具有较高的腐蚀选择比。从表卜1的腐蚀速率比较可见，1∞摄氏度的 H。P04对氮化硅膜大约有50A／min的腐蚀速率，其相对于氧化硅膜和硅基板的腐 蚀选择比约为50：l。而氢氟酸溶液对S州。的腐蚀速率则明显降低，约为8A／min， 4 相反对Sioz的腐蚀速率大大增加。吲此，若采用I{F溶液来腐蚀，则无法保证腐 蚀完si=lN一膜的同时保留隔离槽中还有足够高度的si晚膜。总之，在腐蚀氮 化硅 膜时采用磷酸药液比氢氟酸缓冲液更理想。 表卜l HF和H。Pq对各种膜腐蚀速率比较 已有研究表明，在浓度为85％的H，PO。中，对S圳。真正起到了腐蚀作用是 15％的Hz0，H．tP0。在其中主要起到催化剂的作用，用于溶解其中反应生成物，控 制硅离子的浓度。反应方程式为： 3SijN4+27H 20+3H3P04∞4(NH4)3P04+9H 2Si0 3 ∞ 字 刃 望 。 色 乌 ∞ 二 之 虿 己 匿 ∞ ：!!!!竺竺型兰!生! 85 70 75 concentr8t{on(％P2吼) 图卜3：H。P吼浓度和加热时矧与瘸蚀速率的变化关系 图卜3表明了si扎、siO：膜的腐蚀速率与H．；PO：，浓度和加热时间的关系。可 以看出，随着H，P04浓度的增加，不同温度下的H_：P0药液(j50摄氏受到170摄 氏度)对氮化硅膜的腐蚀速率均呈现下降的趋势。由此可见在H．，吣药液腐蚀氮 化硅膜的过程中，保持适当稀释的H。PO。药液非常重要，即真正起到腐蚀作用的 是另一部分的水。同时，对于某一温度下H．，PO。药液(i70摄氏度)，随着加热时 间的延长，药液内的水不断被蒸发同样会使得H。PO。浓度的增加，因此也会导致 对氮化硅膜的腐蚀速率降低。相反，鞋Jp(){浓度增加却能导致其对氧化硅膜的腐 蚀速率提高。这表明在使用H，PO。药液腐蚀氮化硅膜的过程中，腐蚀液中磷酸的 浓度会发生变化，从而会改变对氮化硅、氧化硅膜的腐蚀特性。如果我们控制 不好，毅容易引起腐锤不彻底或过度，降低了产品的质量。 1．3问题与挑战 随着集成电路工艺的进步，线宽的缩小，对于产品表面的颗粒粘污的要求 越发严掺，同时某些特殊结构的产品在进行氮化硅膜腐蚀翦糨氧已形成，故在 进行氮化硅膜湿法全面腐蚀时将面I|缶如何合理控制磷酸药液对氧化硅膜相应的 腐蚀情况以满足产品的质量的问题。 在实际的产箍制程中，H。P04在腐蚀氮化硅薄膜的同习寸，对氧化硅膜的腐镪 程度会大大影响产品的品质。对于采用STI隔离结构的产品，由于要保证沟槽 内H卯氧化膜鞠对于硅萋板平瑟的突出量，故在进行氮化硅膜腐蚀时需要限定 H{PO一对HDP氧化膜相应的腐蚀速率(<0．5A／JI】in)。但随之而来产生了由于H。P04 药液中由于si离子浓度饱和丽引起的si晚颗粒析出的闻题，影响了产品品质。 对于某些特殊结构的产品，它需要使用氮化硅膜作为栅氧氧化的阻挡层。由于 初期产品开发时的氧化膜腐蚀量的不充分，导致了后续氮化硅膜残留异常的发 生。因此，了解也P执药液对氮化醚膜和各种氧化醚膜的腐蚀特性及褶互影确关 系，并在一个药液使用周期内如何利用其腐蚀特性和相互之间的影响关系，对 子保证产晶豹晶质，提高生产效率等实际工作问题将具有重要的指嚣意义。 6 第二章关键工艺技术和原理 隔离技术 集成电路制造工艺中，必须使用某种隔离工艺模块用于器件的隔2．1离。衡量隔 离工艺模块的的指标有隔离密度，工艺复杂度，成品率，平坦化程度和寄生效应 等。在这些指标之间存在着折衷，没有一种隔离工艺模块对所有的电路是适合 的。对于DR删的电路，高密度，高复杂度的隔离模块是合适的，但对于低成本的 TTL电路，就可以采用工艺比较筒单，密度较低的隔离模块。 2．1．1 LOcoS(硅的局部氧化)技术 制作厚场氧化层的最直接的方法是在制作器件之前生长一层厚氧化层，然 后在氧化层中刻蚀出一个窗口，并在这些窗口中制作器件。这种方法有两个严重 的缺点。首先，这种方法形成的表面有高的台阶，这使得后续的淀积工艺的台阶 覆盖率差，并且影响光刻工艺的质量。在光刻小尺寸图形时这个问题将变得尤为 严重。第二个缺点不象第一个缺陷那样明显。在轻掺杂的衬底上，必须用离予注 入的方法形成一个保护环来提高闽值电压。除非采用高的注入能量，否则保护环 的注入必须在氧化前进行。在氧化过程中产生的点缺陷也可能会增加氧纯过程 中的扩教。这个效应和光刻对准的容差要求一起，将大大降低集成电路的密度。 硅的局部氧化(LOCOS)隔离技术已经成为硅集成制造的标准工艺。在这个 工艺中，首先生长一层薄氧化层，然后(通常用LpcVD法)淀积一层氮化硅膜 (Si。№)。用光刻／刻蚀形成s州。阻案后，去掉光刻胶，再进行场氧化(圈2—1 sTEPl 所示)。在场氧化中，si．；N。阻挡了氧化剂的扩散，使si，№下面的硅不能被氧化， S训。的顶部也将生长出一层薄的氧化层，它使得Si：；心的厚度不能低于1000A(图 2—1 STEP2所示)，而且在去除Si．，心之前，必须首先去除Si，心顶部的氧化层。在 l： S涮。去豫后，最终形成场区域隔离结构(图2一l STEp3所示)。工艺流程简图2一 S Cepl Step2 Step3 图 2 一l LOCOS结构工艺流程图 由于SiO：生长时会消耗掉44％的硅，因此最终形成的氡纯层是部分凹入的 7 而且场区的台除平缓，易于后续的薄膜层的覆盖。同时L∞0s工艺在硅表西留下 一个特有的凸起，凸起后面是逐渐变薄的伸入有源区内的氧化层。由于屡然的原 落，这一结构被称为“鸟嘴”(bird beak) si，N。下面薄的缓冲氧化层的作用是减少氧化过程中硅衬底的应力。这～应 力是由于硅衬底和si。M的热膨胀系数不涯配，以及生长中的氧化层体积增加而 造成的。在高温下，氧化层的粘性流(滞流)可大大减小这一应力。已经做了大量 的研究来优化氧化层和si3N4的厚度。如果树底中的应力超过硅的屈服强度， 它将在衬底中产生位错。较厚的缓冲氧化层将减小衬底中的应力。不会引起位 错产生可容许的缓冲氧化层的最小厚度大约楚si；M厚度的l／3。但这个厚度必 须与随氧化层厚度增加的氧化层横向侵入长度做折震，氧化层的横向生长是由 氧化剂在缓冲氧化层中的横向扩散雨引起的。当Si。N4与缓冲氧化层的厚度比为 2．5：l时，氧化层的横向侵入长度，或鸟嘴长度，近似等于场氧化层的厚度。 从器件的角度来看，鸟嘴的存在造成两个严重的后果。由于有源区经常至少 在一个方向上确定了器件的边缘，因此鸟嘴会减少器件的有效宽度，从而减少了 晶体管的驱动电流。场区掺杂则将导致另一个微妙的效应。场氧化工艺使注入 的常区杂质扩散进有源区的边缘。如梁晶体管的宽度足够窄，那么场区扩散过来 的杂质将提高器件的闽值电压，从而减小器件的驱动电流。这一效应被称为窄沟 效应，它在密度很高的电路如存储器中是非常重要的。 2．1．2 STI(浅沟稽隔离)技术 20世纪80年代时，人们开始发现，无论是LOcOs技术还是其他任何的改 进技术，都不适合用于晶体管密度远远超过于107cM。的集成电路。只要考虑一 下晶体管的尺寸就很容易看出这 点。典型的内部逻辑器件的宽长比约为4：1。 现在人们认为，对于先进的L0cOs工艺，其最小的隔离距离绝对值约为O．8um， 这是从一个N上P结的边缘到另一个N+P结边缘的距离。隔离距离的最终因 素不再是表面反型或简单豹穿通现象，面是 静被称为漏感应势垒降低的穿通 效应。 浅沟播隔离技术(sTI)较之与硅的局部氧化技术(LOC。S)复杂了很多， 丽且沟槽隔离技术难以与必须使用任意的器件闽距的随机逻辑电路技术集成在 一起。由于化学机械抛光(e归)可以无须光刻步骤而去除多余的淀积氧化层， 因此CMP工艺技术的发展已经使得原先被否决的沟檀隔离技术成为一种可行豹 工艺解决方案。如圈4所示，这种工艺营先生长loo到150 A的缓冲氧化层， 然后用LPCvD的方法淀积一层15。0到2000 A的Si|iN。。接着在光亥l出场区图案 后进行Si．，哺，Si侥和si的刻蚀。刻蚀的深度一般约为O．5 um(捌蚀深凄是指沟 槽的底部低于硅基板平面0．5 um)，被猁蚀出的沟稽侧壁的倾斜度要求在75～ 80度之间。如果需要，接下来就进行场区的注入以防止沟槽下方的反登，此次 8 场区注入也可以在c雏P之后完成，但需要更高的离子注入能量。然后，热氧化 生长一层薄的siO：(150～200 A)层，以减少于法刻蚀时对侧壁造成的损 伤， 并使沟稽的拐角更圆滑～些。接着，采用高密度等离子体化学气相淀积的方法 淀积一层O．9～1．1 um厚的氧化硅层(图2—2 sTEPl所示)，并用c∞技术去除 多余的氧化硅层以达到平坦化。Si，№是用做C即过程中与氧化层之间不同介质 的终点检知用(图2—2 STEP2所示)。最后，用H。PO。去除Si．，M，并用HF除掉缓 冲氧化层，最终形成浅沟槽隔离的结构(图2—2 ST酽3所示)。工艺流程简图请 参见蚕2—2： SteDl Step2 Step3 图2—2：STI结构工艺流程图 sTI在工艺集成上有很多困难，其中一些与沟槽上方的拐角有关。在一个 MOS晶体管中，多晶硅栅一般会延伸到场氧化层上，以保证源漏之间隔离。如 果sTI的拐角太尖，沟槽的侧壁将发生反型(由于场区的浓度引起)，从而导致 亚闽傻区的漏电流过大。如果e狰过度，即平坦的氧化层项部低予有源区硅平 面，那么会造成后工序过程中出现栅极短路的现象。为了避免这个问题，沟槽 的侧壁必须有适当的倾斜角度，且其上方的拐角必须是圆滑的。为了获得预期 的圆形拐角，可通过si．，沁层下横向刻蚀siO：来有选择往的去除部分的缓冲氧化 层，然后再在高温的环境(约l100摄氏度)和／或含Hcl的气氛中进行氧化。 cMP所形成的氧化层凹陷使场氧厚度减薄，并可能因此丽制定关于最大隔离距 离和／或使用假有源区的设计规则。 2．2二氧化硅膜和氮化硅膜的制备及特性 在本论文所进行的实验研究中，首先需要获德热磷酸药液对各种氧化硅膜 和氮化硅膜的腐蚀速率的数据，从而为进一步研究实际集成电路制程中氮化硅 和氧化硅膜腐蚀工艺提供基础。氧化硅膜包括热氧化膜@hermal 0xide)、高 密度等离子体化学气相淀积的氧化硅膜(Hi曲Densi ty PEcVB)、掺硼磷的常压 氧化硅膜(BPSG)。 9 2．2．1二氧化硅膜的特性及热氧化工艺 氧化硅朕(si侥)对于微电子非常重要， 它的形态被称为熔融石英。Si 02是非 晶体，雨且在1 7lO摄氏度以下在热动力学方藤是不稳定的。尽管熔融石英不是 长范围有序，但它却表现出短的有序结构。它的结构(如图2～3)可以认为是4 个氧原予位于三角形多面体的角上。多面体的中心是一个硅原子。这样，每四个 氧原子近似共价键合到硅原子，满足硅的化合价外壳。如果每个氧原子是两个多 面体的一部分，则氧的化合价也被满足，结果就成了称为石英的规则的晶体结 构。在熔融石英中，某些氧原子，称为氧桥位，与两个硅原予键合。某些氧原子没 有氧挢，只和一个硅原子键台。可以认为热生长Si02主要是出任意方向的多面 体网络组成的。与无氧撬位相比，有氧桥豹部分越大，氧化层的粘合力就越大， 且受损伤的倾向就越小。干氧氧化层的有氧桥与无氧桥的比率远大于湿氧氧化 层。 图2—3：媳型的si0。物理结构，由位于氧多面体中心的硅原子构成 氧化硅膜是～种致密的物质而且能够覆盖在整个硅基板表面。如果要继续 进行硅的氧化过程，氧分子藏必须扩散穿过氧化层才雒够和底下的硅原子产生 化学反应(如图2—4)。正在戒长增犀的氧化硅层会使{寻氧化的扩散受到阻碍而 变得缓慢。当暴露的硅基板矗接接触到大气层时，它几乎立刻裁和空气中的氧或 湿气产生化学反应而形成一层很薄的氧化层(大约10到2弧)，也就是所谓的自 然氧化层(Native 0xide)。 原始硅表两 。2 。了、、 。2 02 土0 图2—4：硅氧化过程示意图 硅在分子氧中的氧化按照全反应方程进行： Si+O。一>SiO。 此过程称为予氧氧化(Dry Oxid8tion)，因为它是用分子氧丽不是用水蒸气 作氧化剂。一旦形成氧化层，硅原予就必须穿过氧化屡与硅片表面的氧进行化学 反应，或者氧分子必须穿过氧化层到达硅基板表面进行化学反应。由于si在 Si02中的扩散率比氧的扩散率小几个数量级，因此化学反应是发生在Si_一Si02 的界面。该化学反应所引起的Si的消耗量大约是最终氧化层厚度的44％。 氧并非是氧化工艺中唯一的氧化剂。另 种非常流行的氧化剂是氧和求的 混合物，这种工艺称为湿氧氧化(wet Oxidation)。它的优点是具有毙干氧高得 多的氧化速率。湿氧具有较高的氧化速率的理由是，与氧相比水具有更高的扩散 牵和比氧大得多的溶魉度(亨利系数)。缺点是湿氧生长的氧化层密度较低。因 此，湿氧的典型应用是需要厚氧化层而且不承受重大电应力的情况。 2．2．2高密度等离子体化学气相淀积二氧化硅 膜(HDP氧化硅膜) 高密度等离子体化学气相淀积法在低压的 条件下以高密度混合气体的形式直接接触到反 应腔体内的硅片表面，发生反应。这个方法从 20世纪90年代开始逐渐被广泛使用。它的主 要优点是可以在300℃一400℃图2—5深宽比 的低温条件下， 制各出能够填充高深宽比(简称AR)阔隙的膜。 因为对于高深宽比的沟槽结构，在后续的成膜淀积时，沟槽底都的淀积速率将 明显慢于表面的淀积速率，从而形成底部薄，表面厚的不佳的成膜效果。而对 于填充性较好HDp氧化硅膜，就非常适合用来作为STI沟槽的底部区域的填充 膜或层间膜等。相对于普通等离子cVD的等离子密度(10“’／cm’)，高密度等离子 CVD的等离子密度要高2个数量级。更低压力(Mt级)，更高功率(kw级)，它 的简单的反应如下： f (SiO：) SiH。+O：一Si02十8yproducts 生成的氧化硅实际上非常接近化学计量比的组成。但还是稍有区别，这从BHF 对H卿膜和热氧化膜的腐蚀速率不同可以反映出来，譬如，HDP膜的腐蚀速率 就略快于热氧化膜的速率。不过从折射率的数据来看是和SiO：符合的。所以就 其膜质来讲可以看作是和热氧处于相同的水平。 HDP氧化膜具有很好的绝缘特性，故常用作于绝缘材料使用，而且比普通的 11 等离子体氧化膜更加致密，但是膜质的平坦性不好。 2．2．3 BPsG硼磷硅玻璃氧化膜 BPSG氧化膜是在常压(760Torr)，温度在350摄氐度～5∞缀氏度的条件 下，混合气体的形式直接接触到反应腔体内的硅片表蕊，发生反应。 反应方程为： TEOS +02／O：；+TMB十TMP — BPSG+Bv Products (BPSG) 由于BPSG氧化膜其有吸水性，膜质也比较疏松，故不宣于作为金属层之间 豹绝缘膜，但由于BPSG氧化膜具有良好的填空蛙及在一定的条件下圆滚的特点 因此与干法的回刻(Etch Back)与CMP一起构成表面的平坦化工艺模块，常用作 于集成电路制造中前道工序和后道的工序的层问绝缘膜，即集成电路中所谓的 PMD(Pre—Metal Deposition)，第l层金属淀积前的绝缘膜介质层。 在BPs(；淀积前，需要预先再淀积一层uSG(约l∞OA)与氮化膜(约200A)的 阻挡层，目的是为了避免磷与硼扩散进入有源区域(栅极，源极和漏极)而造成污 染。 用磷来进行掺杂氧化膜有两个重要的窖的：可以捕捉可移动的镳离子(Na+) 以及减少硅玻璃的加热回流湿度。但是，如果磷的浓度太高(高于7wt％)，则PSG 表面就会成为高吸水性的表面(易于吸收并保留水汽)。P205会与湿气反应而在 PsG表面上形成磷酸，而磷酸会钻刻铝并导致铝的腐蚀，对产品造成不良的影响。 2．2．4 Si3N4膜的制备技术 低压化学气相淀积(LPcVD)生长的氮化硅膜结构致密，通常用作硅片的钝 化保护层和侧壁保护膜，可以很好地抑制杂质和潮气的扩散。此外，采用LPcVD 法得到的氮化硅薄膜还具有良好的台阶覆盖能力，均匀性也十分好。目前的cM0s 工艺流程中，氮化硅也被当作掩膜材料(Hard mask)用于浅槽隔离工艺中。 在700—800℃的条件下，利用二氯硅烷(SiCl：也)和氨气(NH．；)的LPCVD 淀积氮化硅。反应方程式如下： 3 SiCl。心÷4 NH．。一Si。M+6}{C1十6瞪 丽所生成的He!会与过剩的NH：；反应： Hcl十N地一NH。c1 作为废气排出 采用PEcvD生长的氮化硅膜具有很好的阻挡湿气和可移动离子的能力，已 被广泛地用做最后的钝化保护层(Passivation Layer)。PEeVD氮化硅膜被用在 这～割程中，因此钝化保护层淀积时需要在相当低的淀积温度下(低于450摄氏 度)以相当高的淀积率进行。PEcVD的氮化硅制程中，硅烷一般用来当作硅的来 源，而氮气则当作载气(Carrier Gas)和第二氮来源。 1Z Sil^十N2+NH．j．》SiN；H。+H2+N2+NHj+· ～ 钝化谋护层氮化醚需要有缀好的阶梯覆盖性，葛淀积率以及好的均匀性与 应力控制。 通常，PEeVB氮化硅中大约有20令原予百分眈(不同予重量的酉分比)的氢。 氢会与氮帮硅形成涟合：困为si～}{键会吸收紫外线，所以紫外线通常无法穿透 传统的氮化硅膜。 2．2．5各种膜种厚度的溯豢 本课题进行妻句实验研究需要采集磷酸药液对各种膜的腐蚀速率(包括各种 氯硅化膜及氮化硅膜)，故各种膜都使用了非接触式测量设备进行厚度测量。其 中使用了两种类型的膜厚测定机 a)椭偏仪 {#破坏，非接触的光学薄膜厚度测羹设备，用在透明薄膜的测定，主要是 厚度较小 些菲金属膜。基本原理是嗣线性的偏振激光源在样本中发生反射的 时，变为椭圆的傻振。椭编仪通过测定反射得到的撩凋形，根据已知的输入量 赣确她得到薄膜的厚度。课题中的氮氧硅主簧是利用这种设备避彳亍测定，其可 信度都达到O．92以上。 b)反射仪 也是～种非破坏，非接触的测量方法。通过测量光在薄膜屡顶部和底部的 反翦关系，再根据预先设定的膜质等参数，就可醴计算出厚度。丽显在课题中 使用的测鼹设备，装备了双光束，～乘用于测量，另外一束用于实时修正由于 噪声等弓|起驰误差。在测量热氧，H∞等中均使用了此种测量设备，可信凄达 到e．95以￡。 2。3务种膜雏刻蚀工艺 目前对各种膜的刻蚀方法，主要有wET明e}{，DRY ETcH(湿法腐蚀和干法 刻蚀)两大娄方法。 2。3．1干法刻蚀 2．3，l’l于法刻蚀原理 予法刻蚀系统中，刻蚀作用通过化学作用或者物理作用，线是两者的共同 作用来实魏。在物理枫理的刻馋中，等离子体产生的带能粒子在强电场下赣硅 片表面加速撞击，通过溅射刻蚀作用来除去没有被保护的硅片表面材料。一般 使用惰性气体，如氯(Ar)。这种机械刻蚀的好处在于它具有很强的方向性，从 13 两可以获得商的各向异性刻蚀断嚣，以达到控制线宽朗目的。虽然这种方法的 刻蚀速率很高，但是选择比却比较差。而且由于溅射作用除去的物质是非挥发 性的，很可能重新淀积到硅片表面带来颗粒和污染。 在干法刻蚀枫理中，等离子体产生的反应元素(叁由萋和反应原子)与硅 片表面的物质发生反应。为了获得高的选择比，人们对反应气体进行了细致的 研究(一般都是含氟或者氯)。但是在等离子体化学刻蚀是各向同性的，因而对 线宽的控制比物理刻蚀要差。 但是出予对高选择比的异向刻蚀的需求不断增强，一种建于物理与化学混 合作用机理的技术被开发，并得到广泛应用，其一般被称为反应离子刻蚀(RIE)。 但是这个名称并不很恰当，因为在这个工艺当中离子不是主要的刻蚀物质。刻蚀 包括了离子溅射和活性元素与硅片表面的反应，通过调节等离子体条件和气体 鳃分熊够让刻蚀从各}句同性转变为各向异性。这样裁能够获得好的线宽控制和 不错的选择比。这三种刻蚀的比较可以参见表2一l： 表2一l于法刻蚀和湿法腐蚀的比较 2．3。1．2干法刻蚀的不足 虽然干法刻馈可以很好地控制线宽，可是由于等离子体中各种带能离子、 电子以及激发分子会引起硅片敏感器件的诱导损伤。一秘磺主要的损伤失非均 匀等离子体子在晶体管栅电极产生陷阱电荷，这样很容易造成栅氧薄膜的击穿。 如果设备稳定性不佳或者在工艺容许范围夕}进行刻蚀都会让等离子体变得不均 匀。还有一种是等离子体翰轰击不可避免地要损伤到其他暴露的表面，这样对 器件的性能非常不利。虽然有些损伤可以通过退火或湿法化学瘸蚀来消除，但 是在一定要兼顾其他区域表面的情况下就需要采用湿法腐蚀工艺。 2．3．2湿法腐蚀 2．3．2．1湿法腐蚀概述 在半导体产业以开始，湿法腐蚀就和硅片制造联系在一起。在器件线宽大 14 于2um的时代，温法腐蚀的应用非常广泛。由于这种腐蚀方法在掩蔽屡材料的 下面产生钻蚀，形成各向同性的侧壁，因而不适于特征尺寸大于2um的情形。 所以在关键尺寸的刻蚀上，目前的生产工艺都选择了于法刻蚀。但是湿法腐蚀 并没完全退出半导体的生产工艺，在除去丈面积氯化硅，除去于法刻蚀残留物， 衰层剥离以及大尺寸图形腐蚀应用方面仍然扮演着重要角色。这是由于湿法腐 蚀工艺有着于法无法替代的优势： 1) 2) 3) 对下层材料可以达到很高的选择比 对器件不会带来等离子体损伤 设备较简单，生产效率离，Coo(Cost of owner)低 由于反应物通常出现在刻蚀化学药液中，所以湿法刻蚀可被分为三个步骤： 药液和硅片表蕊接触一药液和暴露的膜发生化学反应，生成可以溶解的产 物一反应生戏物被移走。其中最漫的一释被称为刻蚀速率限翎步骤，它决定了 刻蚀速率。人们都希望获得高的，均匀的，可以控制的刻蚀工艺，所以一般的 槽式刻蚀都会用某种方法搅动化学药液，帮助药液和硅片表面接触并快速把反 应生成物运输走。一般来讲在湿法刻蚀工艺中表2—2工艺参数是必须注意的 表2—2湿法鹰蚀的工艺参数和控制方法 虽然在新型的自动湿法刻蚀设备中对表2—2里面的参数都做了尽可能的控 制，但是仍然存在一些不可控制的因素会影响刻蚀工艺。对于大部分的湿法刻 蚀工艺来讲，被腐蚀的材料不是直接溶解的过程，而是通过化学反应把固态的 材料转化为气态或者液态。而一旦产生了气体的话不可避免会形成气泡，从而 阻挡了新的药液和硅片表面接触。因为气泡的产生无法估计，问题通常会发生 在图形的边缘。通过搅动，我们可以减少在硅片表面气泡的附着能力。然两即 使如此，在较小尺寸的图形上刻蚀速率i翘可能很慢，这是由于除去腐蚀产物和 气泡都比较困难。 随着工艺能力的提高，最近湿法刻蚀的工艺已在复苏，目前常用的湿法刻 蚀工艺有以下几种：对硅的腐蚀；对氧化硅的腐蚀：对氮化硅的腐蚀。 1S 2．3．2．2硅的湿法腐蚀 对于半导造有时候需要再硅衬底上腐蚀深的图形。例如为了隔离高集 成的器我们就要中腐蚀出大约O．2一O。3um宽几个微米深的深槽来。使用某些药 液在不同晶格方向的腐蚀速率不同可以实现湿法工艺对硅的各向异性刻蚀。最 常用的药液是KOH。当其中再混合一定比例的异丙基乙醇后，对<1∞>晶向的腐 蚀速率是 而在各向同性硅的湿法腐蚀中，已经有几种成熟的方法可供选择，其中大 多数都是采用了强的氧化剂对硅进行氧化，然后使用HF再对SiO：进行腐蚀。最 常用的腐蚀药液是HF和HNO。再加水的混合物，整个反应的方程式如下： Si+l{NO，+6HF—÷}{，SiR+HN02+I_王2+H20 这个总的反应是分为两步实现的： 1)氧化： Si+HNO，+H．0—}siO．+HNO．+H1 二 二 j ‘ 二 2)腐蚀： si0 2+6HF寸2H++si巧2+2H 20 当}IN03的浓度低的时候，可是速率是由氧化剂的浓度决定。而在HF的浓度低 的时候，刘蚀速率由HF的浓度决定。实际刻蚀速率可以达到每分镑470um，这 样刻穿一枚硅片只需要90多秒时州。 2．3．2．3氧化硅膜的腐蚀 氧化硅腐蚀是湿法刻蚀中应用最多的工艺，这种工艺都是基于HF和SiOz 的反应：虽然对于化学反应方程式的写法都一样，但制备氧化硅工艺上的差别造 成了HF对不同种类氧化硅的不同的腐蚀速率。表2—3以室温下1％HF的腐蚀速 率作比较，可以看到各种代表性氧化膜的刻蚀速率 热氧 LPCVD 800—1200℃馒 600～900℃ 低<1A／s 低几个A／s 高几十A／s 16 貘质好，很紧密 膜质较好 膜质疏松 慢 中等 抉 LPCVD—TEOS 650—750℃ APCVD 中等lO～20A／s 膜质一般 3∞一500℃ PECVD 200一400℃ 中等 中等～10A／s 膜内含有H，膜质不稳定 N SOG <200℃ 快 商几十Kfs 表2—3室温下1％鼯对不同膜的腐蚀速率 可见，对于不同的积淀方法，获得的氧亿硅的结构、密度、所含杂质以及 掺杂分布都大不相同，可以应用于不同的场合。 对于Si如在HF中的腐蚀机理已经有了很多的研究成果。总的来说，氧化硅 腐蚀的化学反应机理也可以按照湿法腐蚀的通则总结为： 1)药液中的活性元素被吸收到表面 2)发生化学反应 3)溶解反应生成物 总的来说，氧化砖会溶解在KOH或者碳酸盐类当中，因为它们能够产生在 东中可溶的硅酸盐。但是碱性溶液在微电子器件的工艺中，由于这种溶液对硅 的腐蚀十分快所以不能被使用。而在另一方短，也就是酸溶液里，由于F具有 很强的负电性能够产生足够的能量将坚固的S卜O键打破，因此只有HF才能够 溶解氧化硅。当HF分子和氧化硅反应时候，其被吸附到晶格内S卜O键这边的 远多于吸附到氧化硅以OH基集团为终端的表面。溶解氧化硅的总括的化学反应 是： 20 Si02+6HF呻2H++SiFi2+2H 当HF稀释到水里的时候会发生一系列的电离分解，能够产生氢离子n 氟离子F“和其他一些氢氟酸的物质如H旷和(HF)。等，离子的分解可以看作是下 面的过程： HF．§H++F一(STEPl) 攀呐(sTEP2) 粤：K2(sTEP4) (肼】 ‘ [艘。一] ‘ 其中的平衡常数Kl、K2，依赖于HF的摩尔浓度。在修正了离子强度的条件下 可以到Kl=1．3xl旷，K2=1．04。但是只有在摩尔浓度大于lmol的情况下这些数 值是可强被认为合适的。 由予单纯的HF在刻蚀中由于反应物质的不断消耗，浓度会持续下降从而佼 瘸蚀速率也逐渐下降。所以透过加入一定量的氟化氨作为缓冲溶液，通过分解 反应来维持咿的浓度。 _NH。F—'NH：十F一 其中NH；是气体。通过缓冲溶液的缓冲过程也在帮助腐蚀药液控制酬徨，以减 17 少对光刻胶带来的损伤。BHF对氧化硅的反应如下： SiO 2+4HF+2NH 4F—÷(NH 4)2siF6+H 20 更加详细的话，应当分为两个步骤： si02+3H巧+H+_si瑶一十2H 20 2N}{；+si《‘呻(NH4)2s哦 为了知道腐蚀过程的动力学描述，这需要深入了解在HF中每种物质对亥t蚀 的贡献，可想而知要十分准确地描述整个腐蚀过程是非常困难的。即使人们已 经对相当大的浓度范围内的}{F和BI{F{乍了许多的实验，但是准确的反应动力学 原理还是没有得到。因此有许多假设的模型假设各种物质的{乍用以理解反应机 理，或者是计算和温度、浓度相关的腐蚀速率。在Blufnberg于提出的一种模型， 提出腐蚀速率Jreact(mole／(cm2s))和HF浓度有如下的函数关系： ，。。。=K(Cm)“ 其中n和k。都可以递过实验褥到。丽在Kikuya硪a等人的研究中，对给定摩尔 浓度的BHF溶液讨算了其中HF，H旷，和F一的浓度，测量了相关的PH值，并且发 现对于氧化硅的腐蚀， 氟离予的作用并不明显，主导反应的是HFl-。还有不少 尝试想通过一种模式以覆盖全部反应物质(包括HF和HF。)的化学动力学机理 以及各自在其中的贡献。 2。3．2．4氮化硅膜的腐蚀 对氮化硅的腐蚀中有两类通常的做法，使用磷酸‰PO。或者氟酸。 在室温下氮化硅在HF溶液中的祷蚀速率很慢。一般在常温下15：l的BHF 对热氧化层的腐蚀速率大概是200A／min，而此时对氮{七硅的腐蚀速率只有不到 lOA每分钟。这个速率是不实用的，其反应方程式是： si 3N4十18HF=H 2siF6÷2(NH4)2siF6 一般常用的工艺是使用140℃一200℃的热磷酸来刻蚀，但较多的是使用160 ℃左右的条件。此时的腐蚀速率为55—60A／min，而且此时对暴露的氧化硅其有 所希望的高选择比(可以达弼l∞：1，甚至更高)。但是由于在实际工艺中，由 于在氮化硅粼蚀前一些处理工艺高温的影响，氮化硅表层被氧化形成一层氮氧 化物，必须通过一道HF时阀处理，否则这层氮氧化物可能会成为掩蔽层，阻止 磷酸对氮化硅的刻蚀，造成腐蚀的不均匀。其反应方程式可以写成： 3P04营3Si3N4+27H20+3H P04+9H2Si03 4(NH 4)3 但是，在这个反应中真正刻蚀氮化硅膜的是H：0而并非珏；p04 18 在对PEcVD所制备氯化硅的湿法腐蚀研究中发现，在磷酸中含氢较少的氮 纯硅更加不容易被腐蚀，而且随着成膜压力的上升，腐蚀速率也呈现线性上升 的趋势。但是在BOE中压力和速率却不成线性关系，而且当反应气体流量达到 一定比例时，腐蚀速率达到峰值。可见，由于在PEcVD氮化硅中由于存在H， 导致其腐蚀表现和完全的S训。大不相同。 第三章磷酸药液部分交换方法的刻蚀研究 3．1背景说明 3．1．1 STI隔离结构中氮化硅膜的腐蚀 在第二章中，关于sTI隔离结构的介绍中已经提到，运用化学机械抛光(cMP) 工艺对表丽翡高密度等离子体化学气稿淀积法(H印)制备的氧化硅膜进行平坦 化蜃，需要使用H。P0药液和BHF药液将有源区域的氮化硅膜和缓冲氧化膜完全 腐蚀，为后续生长栅氧做准备。 在氮化硅膜和缓冲氧化膜完全腐蚀掉的同时，还必须保证沟檀内的HDP 化硅膜高于有源匿硅表面200—300A的高度，从而有效地保证产品的品质。 用酬F对缓冲氧化层进行腐蚀时，同样对沟槽内豹∞P氧化膜有较快而 的腐蚀速率，这是我们所无法避免的问题。我们只能采取措施尽可能地HDP 氧化硅膜在}l=tPOt药液内被腐蚀的量，从而最终满足对沟槽中HDP氧 的要求。 H．；POt药液在对氮化硅膜进行腐蚀的同时，对HDP氧化膜同样也会有腐蚀 用。在160摄氏度下，85％的H．；p04药液对氮化硅膜的腐蚀速率基本维持在55Amin 左右。而对HDP氧化硅膜的腐蚀速率是一个逐渐变化的过程，即在液交 束盾腐蚀速率可达到2．5A／皿讥髓着作业产茹数赞的增臃，磷酸药液对 膜的腐蚀速率逐渐降低，在临近下一次药液交换时，其对HDP氧化硅 速率基本为零并保持稳定，表嚼此时的磷酸腐蚀液已失去对HDP氧 能力。如下图3一l所示： 考虑到如上嚣所提及能工艺要求，所以我们就限定了对于sTI隔离结构 产品在进行氮化硅膜腐蚀时，必须在H．：Pq药液对HDP氧化膜的腐蚀速率 O．醮／min时才可以进行作业，尽可能的减少沟槽内HDP氧化膜的损失 20 氧在使且稳定减少化硅膜高度作／换刚结氧亿硅膜的腐蚀化膜的腐蚀 的小于量。 3．1．2 si02颗粒析出阂题 限定了STI隔离结构的产品在进行氮化硅膜腐蚀对的HDP速率规格，可阱 满足产品工艺上对沟槽内HDp氧化膜突出量的要求，但随之而来了颓的工艺闽 题。 当H。Pq药液对氮化硅膜完全腐蚀之后，在随后的过刻蚀(0ver Etch)时 间内，同样会对氮化硅膜下酲的缓冲氧化层及L。c0S或STI隔离区域的氧化硅膜 进行腐蚀。随着作业制品数目的增多，腐蚀的连续进行，在临近下一次液交换 时，H：，PO。溶液中的硅离子浓度将逐渐增加而达到一个饱和状态，即表现出对氧 化硅膜的刻蚀速率逐渐降低。如图3—2所示，随着腐蚀液中S{离子浓度扶O增 加到～i∞ppm(饱和值)，其对氧化硅膜的腐蚀速率从～10A／min近乎线性地降 低到～O．2A／min。随着Si离子浓度进一步增加，药液对氧化硅膜的腐蚀速率仅 有很小的降低。同样，这一结论就图3—1所显示的H、PO。药液对HDP氧化膜腐蚀 速率递减的变化趋势结果给出了机理上分析依据。 另一方蕊，从药液中的SiO。颗粒数来看，当Si离子浓度小于～lO()ppm时， 颗粒数接近101／ml的数量级：当药液中si离子浓度增加到近200ppm时，颗粒 数出成线性，E升到～5×106／n11。毫无疑问，腐蚀液中颗粒数增加会导致Si侥颗 粒在产品表藏被吸附几率，严重影响产品质量。此外，我们也观察到了H：；p0。 药液中Si离子浓度对Si。N。膜的腐蚀速率影响很小，基本上维持在50 A／min的 腐蚀速率。 图3—2 H3P04药液内硅离子浓度对薄膜腐蚀遽率积颗粒产生的影晌 图3—3 si魄颗粒析出的异常SEM照片 图3—4正常的SEM照片 当～个液交换周期内连续作业到20个批次以后，H。P峨槽内的Si离子浓度 即会超过其饱和状态，就会形成二氧化硅析出颗粒附着在随后进行作业的产品 表面，如上面图3—3所示；而正常时si离子浓度未达到饱和状态时．槽陡{乍业 的产品表面颗粒状态如上而图3—4所示。可见，差别是显而易见的。 3．1．3矛盾的体现 综上所述，为了保证产品的品质满足工艺要求，我们对于STI隔离结掏的 产品在进行氮化硅膜腐蚀时，必须限定H．，PO。药液对HDP氧化膜的腐蚀速率规格 ( 解决方法一H。P0。药液部分定期液交换的实施 2个需要进行液交换的频度3．2．1 H。P0。药液交换现状 现状的}}：；PO；腐蚀液有标准：药液使用周期到了 4320分钟(3天)或药液连续作业30个批次的制品会进行全槽药液量的交换。通 常在作业量比较大的情况下，连续作业了30个批次制品时不会达到3天的时 间。一般在连续作业20个批次以后．就会出现Si02的颗粒严重析出问题。 如果单纯的缩短药液交换的频度(例如：缩短到连续作业15个批次进行业 交换)可以解决Si0。的颗粒柝出问题，但是槌当于以前相同作业孰次数多交换鲍 一倍的药液量，从成本的角度上是不可行的。 故决定采取的接簏跫：在连续作业一定量批次制品后(比原先的频度30个 批次少)，进行部分量的H：，PO。药液交换，通过补充部分量的H，P0。新液来溶解掉药 液中的多余的硅离子，使褥槽内的药液始终维持对硅离子一定豹溶解能力，保 防止siO。颗粒的析出：同时又能保证对HDP氧化膜的刻蚀量。 3．2．2 H。pO；药液部分波交换的分绍 主要参数的介绍： 1．全量Lifecount： 2．残液Lifetime： 3．残液Lifecount： O，l，2 4320分 30回 回 4．残液交换排液Level：O一6 主要参数的含义： (1)：全量Lifecount： O，l，2 回 “1”表示(O个部分液交换+1个全槽液交换) 即每次液交换都是做全槽液交换。 “2”表示(1个部分液交换+1个全稽液交换) 即经过液交换属期后，先做一次都分液交换，再经过一个液交换餍期屠，做 全槽液交换。 “3”表示(2个部分液交换+1个全槽液交换) 即经过液交换周期后，先做第一次部分液交换：再经过一个液交换周期后， 做第二次部分液交换；再经过一个液交换周期后，做全槽液交换。 “4，5，6 ．．”所代表的含义依照上述内容类推。 (2)：残液Lifetime： (3)：残液Lifecount： 或全量交换)。 4320分 30墨 表示H：；P毡药液连续进行30个批次表示掩P吼药液经过4320分后进行一次液交换(部分交换或全量交换)。 制品作业后进行一次液交换(部分交换 ()4残液交换排液Level：0—6 (如左图3—5) “0”表示排液到井槽Level3的位置 “l”表示排液到外槽Level2的位置 “2”表示排液到外槽Levell的位鬣 “3”表示排液到内槽Level4的位置 “4”表示排液到内槽Level3的位置 “5”表示排液到内槽Level2的位置 “6”表示排液到内槽Levell的位置 图3—5 H3P04槽液位传感器分布图 通过系统软件上的设定和槽内液位传感器的控制，实现部分药液交换的功 篷：即部分液交换时，先排滚捌相应的液位传感器的所在位置立即捧液停止，随 后即补充新的药液。 3．3 部分液交换评价的实施 3。3．1评价思路的建立 该项评价项目关键点是需爱确定2个参数的优化组合：部分液交换的频度批 次数和部分药液交换的量。通过这两个液交换参数豹组合，实现在进行了部分液 交换后，H．，pO。药液对HDP氧化膜的腐蚀速率从零可以有所提升，最好的效果就是 可以提升到接近速率限定规格O．5A／MIN，这样既可以缩短了全稽液交换后初裴 HDP腐蚀速率下降的那段时间，提高了设备的生产铡周率；同时又可以有效的 防止了siO。的颗粒析出问题，从而达到部分药液交换实施的最佳目的。 3．3．2初期的假片评价阶段 3．3．2．1评价方法及步骤 H。PO。的实验是采用了腐蚀氮化磋膜的槽式整批处理的工艺装置。药液漏度 为160+／一5℃，温度波动到达5℃是出于在腐蚀过程中，硅片会首先通过自动倒 片机构从普通的搬送片盒转移到专用的处理片盒内。(处理片盒由PTFE材料制 作，可以喇受160℃的温度不会发生变形，而且在酸里不会溶解)之后，遂过 机械手把处理片盒连同硅片一起放入热H。PO。内，由于片盒为室温，所以H_，POa 的温度会下降到155一160℃之间的某个值(和硅片数目有关)。最后进行水洗祁 干燥的步骤。 根据上节所叙述的评价思路，首先运用DOE(Design Of EXperiment)的评 价方法，确定了部分液交换豹作业批次数和部分液交换爨这样两个嚣豢进纾不 同的组合，在进行了部分液交换的前后分别收集H；PO。药液对HDP氧化膜，热氧 化膜，BPSG氧化膜和氮化硅膜的腐蚀速率的数据，同时也会收集部分液交换的 翦后粳粒的变化情况。 DOE的设计如下：部分液交换的作业批次数分别选定lO个，15个，20个， 25个批次疆个备选项(印前匮所述的残液l。ifecount)；部分液交换量选定交换 5％，28％，60％的药液三个备选项(即前面所述的残液交换排液Level选择3，4， 5)。以上所构成的DOE实验因素分别进行缀合，收集腐蚀速率和颗粒变化的数 据。 具体的评价方法如下：全槽药液交换后进行正常的产品作业，当连续作业 的批次数到达规定数目(10，15，20，25个)时，将设备禁止产品作业，进行 ，4 假片wAFER的作业，收集部分液交换前的腐蚀速率和颗粒数据；作业完了后进 行部分量的药液交换(5％，28％，60％的量)；部分液交换结束后再次进行假片 wAFER的作业，收集部分液交换后的腐蚀速率和颗粒数据；待两次数据都收集 好后，最后进行全槽的药液交换，设备恢复正常作业。 3．3．2．2假片评价的实验结果 分别收集了在第10个，第15个，第20个批次部分交换5％的药液量；在第 10个，第15个，第20个，第25个批次部分交换28％的药液量；在第15个， 第20个，第25个批次部分交换交换60％的药液量时，上节所提到的H。PO一对各 种氧化膜和氮化硅的腐蚀速率，以及颗粒增加情况等数据，结果请参见以下的 图表： 图3—6：部分液交换前后H。PO。对HDP氧化膜的腐蚀速率变化对比 图3_7：正常全槽液交换内H：；PO。对HDP氧化膜的腐蚀速率变化规律 凰3—9：正常全槽液交换内％p0。对8PsG氧化膜的鹰蚀速率变化规律 图3一lO：部分液交换前后H：；黜对热氧化膜的腐囊虫速率变化对比 Z6 实验评价的详细原始数据 砘PO。对HDP氧化膜腐蚀速率变化对比(部分液交换前后) 表3一l：H。PO。对HDP氧化麒腐蚀速率变化对比(部分液交换前后) 液交换 批次数 15 部分液交 换量 5％ 5％ 部分液交换前速率 N) (A／墟I 一O．02l 部分液交换稻速率 (A／越m O。430 0．218 O．099 1．043 1．125 20 一O．119 一0．140 O．044 25 5％ 28％ 28％ 28％ 28％ 10 15 一O．230 一O．174 一O．078 一0．175 20 0．796 O．1 25 lO 60％ 60％ 60％ 2．254 1．019 0．585 15 一0．472 一0．292 20 H．，PO。对BPSG氧化膜腐蚀速率变化对比(部分液交换前后) 表3 2：l{。PO。对BPSG氧化膜腐蚀速率变化对比(部分液交换前后) 液交换 部分液交 部分液交换前速率 次数 15 部分液交换后速率 批 换量 5％ 5％ 5％ 28％ 28％ 28％ 28％ 60％ 60％ 60％ (A／MIN) 8．6 一O．363 ～0．306 23．415 1．418 6．636 l_738 (A／MIN) 38．945 3．299 l。672 56．1 53．515 57．205 28．427 20 25 10 15 20 25 10 6．396 一O．694 一0．346 71．781 59．569 49．2 15 20 28 H。P吼对热氧化膜腐蚀速率变化对比(部分液交换前后) 表3—3：战PO。对热氧化膜腐蚀速率变化对比(部分液交换前后) 液交换 次数 15 部分液交 换量 5％ 5％ 5％ 部分液交换前速率 (A／MIN) O．0§9 一O．250 0．186 部分液交换后速率 批 (A／MIN) O．249 O．135 0．142 O．656 O．750 O．623 0．179 1．486 O．799 O．659 20 25 10 28％ 28％ 28％ 28％ 60％ 60％ O．042 一O．286 一O．214 一O．180 一O．282 ～O．570 一0．359 1S 20 25 10 15 20 60％ H：；PO。对氮化硅膜腐蚀速率变化对比(部分液交换前后) 表3—4：H，PO。对氮化硅膜腐蚀速率变化对比(部分液交换前后) 液交换 15 部分液交 5％ 5％ 5％ 28％ 28％ 部分液交换前速率 (A／MIN) 5I，536 54．002 53。OOl 52。380 52．686 55．02l 54．05l 5t．677 部分液交换后速率 (A／MI N) 52．995 52。885 52．693 55．425 55。986 56．755 5S．2 56．225 54．753 54．087 批次数 换量 20 25 10 15 20 28％ 28％ 60％ 60％ 25 10 15 51．934 52．548 20 60％ 29 颗粒增掬状况的对比(郝分液交换前后) 表3—5：颗粒增加状况的对比(部分液交换前后) 液交换 部分液交 部分液交换静颓粒增 部分液交换后颗粒 批次数 换量 加数 增加数 15 5％ 158 8l 20 5筠 250 30 25 5％ 14 14 lO 28％ 5l 40 15 28％ 63 2 20 28％ 343 26 25 28％ 326 132 10 6。％ 5l 40 15 60％ 144 95 20 60％ 139 37 3。3．2．3结果分折 通过以上的图表所显示的信息，我们可以得出以下的结论 (1)：通过H{PO。部分药液交换的实施，可以明显的改善颗粒的状况。 各个参数组合进行的部分液交换蘸，颗粒检增鸯层僮的基本在150个以上，最 高达到340个的颗粒增加：雨各个参数缀合进雩亍的部分液交换后，颗粒检增加值的基本在i。0个以下，最低的颗粒增蕊值只有2个(参见图3一13和表p5)。(2)：通过H。PO；部分药液交换的实旋，基本可以保持对氯化硅膜瘸蚀速率的稳定，路育上升的趋势。但对产品工艺不会造成影响。 部分液交换前的时间点，H。PO。药液对氮化硅膜的腐蚀速率在5卜55A／min之闻，实施部分液交换后，速率基本维持在52—57A／min之间(参觅圈3一12和袭3一唾)。 (3)：通过部分液交换可以使H．，P04对各种氧化膜的腐蚀速率有明显上升的趋势，但均小于进行了全槽液交换后的篇蚀速率，且部分的交换萋越多或交换频发越短(馋业就次数)对上升趋势越为明显。这就表明在裙同的部分液交换频溲下，交换的药液量越多。刚可以更大程度上溶解残液中的硅离子，从而更大程度的提升吼p0。对氧化膜的腐蚀速率；同样，在交换相同量的药液的前提下，部分液交换频度越短，则丽梯可以更大程度上提升HtPO。对氧亿膜的腐蚀速率。 例如，考奁各种参数缭台进行部分液交换前后强POt对BPsG氧化膜腐蚀速率 的变化趋势：在相同的15个批次分别交换5％，28％，60％时，腐蚀速率也相应的分 别提升了30A／min，52A／mi r1，59A／min友右：而在交换相同60％药液的前提下，分 剩在第io个，第15个，第20个批次时交换前后，腐蚀速率也根应的分剐提升了 65A／碓in，59A向in，49点／min左右。同样，各种参数组台进行部分液交换前后吼P瓯 对晒P氧化膜，热氧化膜麴腐蚀速率也有相似的变化趋势(参见蓖3—6，蛰3—8' 图3一lO私表3—1，表3—2，表3—3)。 上述的规律可能并非完全吻合，但是大致的变化趋势是圈定的。 (4)：鏊于制品工艺的要求，需要控制H：；P鹞药液对H凹氧化膜的腐蚀速率 <0．5A朋IN。霜时考虑到酬P乎坦化工艺的要求同样需要以保证BPSG氧化膜套经 过腐蚀后的面内闯慧：故选择l§个批次时交换部分28％药液量的组合，舅．在进 行部分液交换后的药液性质来看，相当于全稽交羧后作业弱3—4批次对的状态 (从对氧化膜刻蚀速率上来判断)。 3。3．3批爨运用于生产的后续评价 3．3．3．1评价方法及步骤 在确定了部分液交换的频度和交换的药液量后，该方法即可以小批量的运 用生产当中，但需要避行下一步的评价工作就是在一个完整的液交换周期内收 集I屯P0。药液各种氧纯硅膜腐蚀速率的变化趋势，以及随机的抽查在部分液交换 周期内，尤其是临近液交换时迸行作业的制晶表面颗粒粘污的状况。从两可以 进～步的验证实施部分液交换所体现的优势：即既可以提嵩设备的生产效率， 又可以有效的改善SiO。颗粒析出的问题。 具体舶评价方法是在连续0个部分渡交换周期内，分测对每个闶期内侔业 的15个批次的制品内，分别在第1个，第4个，篇7个，第n个，第15个批 次(最后一个批次)的制品内分别插入3枚氧化硅膜硅片(同上节所述的3种) 帮l枚氮化硅膜的醚片，随黄铡品一起避入H，PO。楗内进行正卷作业(所有制品 的作业条件均为H，PO。腐蚀65分锌)，从而可以得在部分液交换周期内出HtPO一 药液各种氧化硅膜腐蚀速率的下降变化趋势以及对氮化硅膜腐蚀速率的稳定性 进行验证；同时在每个周期内随橇的抽查，尤其是抽查临近液交换时进行作业 的制品表面颗粒糙污的状况。 3．3．3．2实验结果 该阶段的实验项弱主要是要研究在连续3个完整的部分药液交换周期内(每 次部分液交换之间进行一次全槽液交换)，叱P04药液对各种氧化膜腐蚀速率的交 化规律：初始的腐蚀速率是否可以临近STI产品的速率限定规格：对氮化硅膜 速率的稳定性；以及验证通过实施部分药液交换可以有效的防止Si0，的颗粒奉亓 出问题。 参见下图所示的H．，PO。药液对各种氧化膜腐蚀速率变化规律的结果： j】 图3一14：在连续3个部分液交换周期内H，P0。对HDP氧化膜的速率变化 图3—15：在连续3个部分液交换周期内H。PO。对BPSG氧化膜的速率变化 豳3一16：在连续3个部分液交换周期内H。PO。对热氧化膜的速率变化 圈3一17：在连续3个部分液交换周期内H，PO。对氮化硅膜速率的稳定性 请参见下图显示在部分液交换周期内制品表面siOz颗粒析出的改善情况 FmLf舶 p翠丑丑L溺 丑涮lg{ 甄￡蛰《17) 圈3一18： 部分液交换的15个批次周期内产品袭猫颗粒状况 L0coge9】 L0cospl LocosCl{) L0co州 图3～19： 全稽液交换的15个拙次周期内产品袭嚣颗粒状况 FLCDC㈣， FLe球融j FLcD《嚣替 魁e琏：38} 图3—20 全槽液交换的30个批次周期内产品表面颗粒状况 33 3．3．3．3结果分析 从上面所示的实验评价来看，首先在实施了部分液交换后的连续3个作业 溺麓内，初始点时晦PO，对HDP氧化膜的腐蚀速率在O．54一O+73A腑IN之间，临 近了STI产品的速率限定规格(小于O．5A／MIN)，随后在第4个批次以后趋近 予零并保持稳定，从而可以加快了有氧化膜速率限定产品的流通速度：同样， 在3个部分液交换周期内，初始点时H：；PO。对BPsG氧化膜和热氧化膜的腐蚀速 率分别在21．O一25+8A朋IN之间和O．54一O+73A堋IN之 间，司襻均满足产品工艺的 要求而适用于大批量的生产(参见图3一14，图3—15，图3一16和表3—6，表3—7， 表3 8)。 同时，H3P驰对氮化硅膜的腐蚀速率在3个部分液交换周期内电基本稳定在 52—55A／MIN之间，对制品工艺流程无不良影响(参见图3一17和表3—9)。 最后，最熏要的一点，逯过实施了部分液交换并缩短了液交换频度(30个 批次缩短到15个批次)，无论是在15个批次的部分液交换周期还是在15个批 次的全槽液交换周期内，产晶表面的颗粒状况均明盟优于30个批次全稽液交换 周期内作业的制品表面颗粒状况(以上挑选检查的制品均是在临近液交换前作 业的制品，此时药液槽内si离子浓度已达到饱和状态)。i5个批次的部分液交 换周期还是在15个批次的全槽液交换周期内作业的产品，表面颗粒缺陷数目均 在20个以下：而30个批次全槽液交换周期内作业的制品表面颗粒缺陷均在 300一500个的数董级上。放说明通过实施部分药液交换可以有效的防止siO。的 颗粒析出问题，从而提高产品的品质。 实验评价的详细原始数据： 帮分液交换周期内H。PO。对HDP氧化膜腐蚀速率变化规律 表3—6：H：；P04对HDP氧化膜腐蚀速率变化规律 作业批次数 第1个批次速率 O 730 0．610 O．539 lst部分交换周期 2nd部分交换周期 3rd部分交换周期 (A／MIN) 第4个批次速率 一O．090 O 027 0．058 (A／MIN) 第7个批次速率 一0．065 一O．055 一O．124 (A／MIN) 第11个拙次速率 一O．099 —0 317 —0．03l (A，『MIN) 第i5个批次建率 一0．117 一O．019 一O．121 (A／MIN) 34 部分液交换周期内}{aP吼对BPsG氧化膜腐蚀速率变化规律 表3—7：H。PO。对BPSG氧化膜腐蚀速率变化规律 作业批次数 lst部分交换周期 2nd部分交换周期 3rd部分交换周期 第1个批次速率 24．419 2l 093 25．824 (A／MTN) 第4个批次速率 lO．08l 20．49t {6，763 (A／MIN) 第7个批次速率 5．872 7．393 3．157 (A／MIN) 第11个批次速率 1．105 一O．748 一1．122 (A／MIN) 第15个批次速率 一0．336 —0．1 7l —O．318 (A／MIN) 部分液交换周期内H。PO。对热氧化膜腐蚀速率变化规律 表3—8：埕；呱对热氧化膜腐蚀速率变化规律 作业批次数 i st部分交换周期 2nd部分交换周期 3rd部分交换周期 第1个批次速率 O．361 O．505 0．666 (A朋 lN) 第4个批次速率 一0．177 O．052 O．029 (A／MIN) 第7个批次速率 —O．019 一O．060 —O．133 (A／Mlm 第1t个批次速率 一0．186 —0．602 一O．067 (A／MIN) 第15个批次速率 一0．i30 O。05l 一0。082 (^／MlN) 部分液交换周期内H。PO。对氮化硅膜腐蚀速率变化规律 表3—9：H；P％对氮化硅膜滴蚀速率变化规律 作业批次数 lst部分交换周期 2nd部分交换周期 3rd部分交换周期 第1个批次速率 54。701 53．686 54．885 第7个批次速率 53．603 53 124 53 220 (A／MIN) 第11个批次速率 52．901 53 719 (A／MIN) 52．67l 第15个批次速率 53．790 54．26l 53 151 (A／MIN) 第四章特殊结构的产品氮化硅膜腐蚀工艺步骤的优化研究 4．1背景说明 在如下图4一l所示的器件结构中，在扩散氧化形成高压区域珊氧后，在低压 及中压区域作为氧化掩模的氮化硅膜表面也将生成一薄层氧化膜，在最初的产品 开发及腐蚀条件确定时，由于对氮化硅膜表面生成的一薄层的氧化膜的特性认识 不足，认定只是一般热氧化膜而导致第一步髂氮化礁膜表面氧化膜腐蚀时间不充 分。随后进行的氮化硅膜腐蚀时，在H，PO；对氧化膜腐蚀速率很慢情况时，H，Pn 的腐蚀反应并没有在完全发生在氮纯硅膜上，导致氮化硅膜残留丽引起产品的失 效：但是在H；PO。对氧化膜达到一定的腐蚀量的情况下，即使在第一步腐蚀不充分 豹嚣提下也可以通过H。PO。先将残存的氧化艨腐蚀掉，再继续将氮化膜完全瘸蚀而 不至于引起产品的失效。 利用两步湿法腐蚀将中压和低压区 域的氧化膜秘氮化硅膜完全瘸蚀 图4—1特殊结构产品示意图 4．2异常发生藏因分析 4．2．1异常原因分析 主要的异常原因是由于第一步对氮化硅膜表面生成的一薄层的氧化膜的腐 蚀时间不充分，氮化硅膜表面有氧化膜残留，从而第二步的对氮化硅膜进行腐蚀 时，H．，P()。的腐蚀反应并没有在完全发生在氮化硅膜上，导致氮化硅膜残留而引起 37 产品的失效。 在氮化硅膜表面的氧化层，BHF对其的腐蚀速率较为稳定，H．，PO。对其刻蚀速 率较慢且趋近于零：当该层氧化膜被彻底腐蚀达到与氮亿膜的交界面对，两种药 液的腐蚀速率都会有转折变化。在氮化硅膜层，}{。P晚药液的刻蚀速率僳持稳定(约 55A／min)，而BHF的刻蚀速率较慢且趋近于零。 因此当第一步氧化膜刻蚀时间不充分有氧化膜残留时，下一步的H。P0。的腐蚀 反应没有完全发生在氮化硅膜上而导致有氮化硅膜残留。 速率的变化状况请参见下图 50 H3P04 RATE r a t e 3 致； —／ ＼； HFRATE {深度 f 7。 100 1 氮化硅膜表面 侧： 氮化硅膜与缓冲氧化膜交界侧 被氧化 未被氧化 图4。2氮化硅膜表面被氧化岳膜质状况及速率的变化趋势 如上图4—2所示，在氮化硅膜的表面区域在高压栅氧戒长时被氧化，形成一薄 层氧化硅膜，而在氮化硅膜与缓冲氧化膜的交界区域则不会被氧化。故可以发现 随着两层膜深度的增加(即从氮化硅膜上的氧化膜表面区域到氮化硅膜与缓冲氧 化膜的交界区域)，8HF药液对两层膜的腐蚀速率一开始保持稳定(为25 A／min左 右)，因为此时腐蚀反应发生在氮化硅膜上的氧化貘上，焉在氧化膜被腐蚀的过程 中，盯的腐蚀速率会逐渐呈线性递减，直至最后趋近于零并保持稳定，说明此时氧 化膜已经被完全腐蚀，BH}、的腐蚀反应完全发生在氮化硅膜上：丽H：，PO。药液对两层 膜的精蚀速率 开始保持稳定且趋近于零，此时“．；P0。的腐蚀反应发生在氮化硅 硅膜表丽的氧化膜上，若当表面的氧化膜被H，PO。完全腐蚀后，H。P0。的速率会急剧 上升并稳定在55 A／，min左右，说明此时‰PO。的腐蚀反应完全发生在氮化硅膜上。 4．2．2异常样片分析 使用发生异常的制品样片对其进行进一步的分析。所使用是在氮化硅膜下层 缓冲氧化层进行腐蚀之后，中压区域楞氧氧化之前的异常样片。采用TEM断面确 认和AEs(俄歇)电子光谱的分析方法，最终确认是有氮化硅膜的残留异常。 38 图4—3氮化硅膜残留的TEM断武照片 图4～4秘用AEs光谱分析显示残留中禽N元素成分 异常样片的中压区域在缓冲氧化层进行腐蚀之后，中压穰氧氧化之前应该是 硅基板暴露于外界，但是从图4—3中的TEM断面结果上发现，硅基板上明显存在有 两层膜康叠加的现象。故推测是缓冲氧化膜和氮化硅膜的残留。 通过AEs(俄歇)电子光谱的分析方法对表面残留的膜进行分析，如图4—4所示 的结果，在对应N辣子的吸收能量级别上(约400ev)明显检测到有波峰的存在，故 断定表面确实有氮化硅膜的残留。 4．3临时的改善对策 4。3．1两步腐蚀对问新的中心条件的确定及工艺窗口的确认 针对上节所描述的异常情况，需要对两步的湿法腐蚀时间进行适当的调整 (氮化硅膜表面的氧化膜腐蚀和氮化硅膜的腐蚀)，并且需要进行工艺窗口的确 认，最终确定两步湿法腐蚀的中心条件，并在氮化硅膜腐蚀时加上相应的氧化膜 腐蚀速率的瓶格限定，因为此时高压区域襁氧已经形成，这样既保证对氧化膜的 充分腐蚀防止了氮化硅膜残留，同时又要保证高压区域的栅氧厚度的损失量不能 39 太多。 原先的两步腐蚀的条件分别是氧化膜腐蚀3分钟和氮化硅膜腐蚀10分钟，发 生了氮化硅膜残留的异常。根据异常发生原因的分析，故需要对两步的腐蚀时间 进行适当的延长并且进行工艺窗口的确认，具体的实验数据如下： 1)：氧化膜腐蚀时间的工艺窗口确认 Oxide etch time Nitride etch time SIN injtiaI THK(A) SIN residue THK(A) 2m 10m 98．97 98．47 3m 10m 99．3 86．51 3 5m 10m 99．82 71 32 4m 10m 100．13 52．9 4 5m 10m 98．73 30．14 5m 10m 98．55 1 7．76 如表4—1所示，延长氧化膜刻蚀时间，保持氮化硅膜刻蚀时间10分钟，均发 生氮化硅膜残留；且考虑到延长氧化膜腐蚀时间会对高压区域的栅氧厚度损失量 较大，故考虑延长氮化硅膜刻蚀时间。 2)：氮化硅膜腐蚀时间的工艺窗口确认 0xide etch time 3m 3m 3m 3m 3m 3m Nl”ide etch time 9m 10m 11m 1 3m 1 5m 1 7m SlN initial THK(A) 103．14 99 52 96 53 98．49 101 56 100．54 sIN residue THK(A) 9741 84． 8．54 O 0 0 如表4—2所示，保持氧化膜刻蚀时间3分钟不变，延长氮化膜刻蚀时间至13 分钟，氮化硅膜被完全刻蚀。 2)：两步腐蚀时间的工艺窗口确认 表4—3：两步腐蚀时间的工艺窗口确认 Oxide etch time 3m 13m 3m 3．5m 14m 99．1 0 3．5m 1 5m 99．7 3．5m 4m 18m 100．26 0 Nitride etch time SIN InitbI THK(A) SIN residue THK(A) 14m 98．9 1 7m 101．78 0 99．6 O 0 0 如表4—3所示，对两步刻蚀时间进行了工艺窗口确认，工艺条件是氧化膜刻 蚀时间由3分钟延长至3．5分钟；氮化硅膜刻蚀时间由10分钟延长至15分钟，解决 了氮化硅膜残留的异常。 4．3．2结果分析 根据上述的实验结果，临时的工艺条件是将原先的两步腐蚀时间分别从3分 40 钟和10分钟延长到3．5分钟和15分钟，并且加上氮化硅膜腐蚀时对HDP氧化膜的速 率限定，规格为0．卜1A／min之间。限定速率规格上限的目的是为了减少H。PO。腐蚀 时对高压区域的栅氧厚度的损失量；而限定速率规格下限的目的是为了保 证H。PO。 药液对氧化膜有一定的腐蚀量，从而防止氮化硅膜残留异常的再次发生。 速率限定规格(0．卜lA／珊in)是通过统计之前作业的制品在不同的H。PO。对HDP 氧化膜速率条件下的良率和膜厚结果而临时制定的。 这一改善后的两步腐蚀时间及HDP氧化膜的速率限定的合理性在后续实际的 产品作业后得到了有效的验证，既可以彻底杜绝了氮化硅膜残留的异常同时又保 证了高压区域的栅氧厚度。 4．4长期的改善对策 4．4．1临时对策的缺点体现 在上节中提到，将原先的两步腐蚀时间分别从3分钟和lO分钟延长到3．5分钟 和15分钟，并且加上氮化硅膜腐蚀时H。PQ。对HDP氧化膜的速率限定，可以彻底杜 绝了氮化硅膜残留的异常同时又保证了高压区域的栅氧厚度，对于产品工艺上来 说是一个切实可行的对策，但是由于HDP氧化膜的速率限定中既有上限限定又有 下限限定，对没备的生产性，产品的流通性是一个很大的阻碍，即表示在H，Pn 药液的一个使用周期内仅有中间的某段期间是可利用作业的。故需要通过工艺上 的改善来优化该步氮化硅膜腐蚀的工艺步骤，以提高设备的生产效率，加快产品 的流通速度。 4．4．2氮化硅膜腐蚀步骤的优化 实验评价的最终目的取消第二步氮化硅膜刻蚀时H。PO。对HDP氧化膜的速率 控制的下限限定。考虑的实验方案是适当的延长第一步的氧化硅膜的刻蚀时间， 这样可以确保覆盖在氮化硅膜上的一薄层氧化硅膜可以被完全去除，从而有效 保证了氮化硅膜的完全腐蚀。 同时，为了能够监控到最恶化的条件下各种膜残留的情况，刻意使用实验 硅片将氮化硅膜的厚度设定成长为制品厚度的上限(制品氮化硅膜膜厚度规格 为150+一10A，实验硅片氮化硅膜膜厚度设定为160A)。 在产品上和实验硅片上分别制定了实验的水准，主要是第一步的氧化硅膜 的刻蚀时间分别进行了延长和缩短的评价：同时在新的目标中心刻蚀条件下， 监控在磷酸药液的一个使用周期内，随着对氧化膜刻蚀速率的递减硅片上各种 膜厚度的状况。 需测定的各种膜的厚度是代表氮化硅膜被完全腐蚀后下层的缓冲氧化膜的 厚度(来显示是否有氮化硅膜的残留)以及3次氧化完了后高压，中压，低压区 41 域的最终的栅氧厚度。 2．1产品上的分割水准实验 经过改善后临时对策的工艺条件时是氧化膜腐4．4．蚀时间3．5分钟和氮化硅膜腐 蚀时间15分钟，并且在氮化硅膜时加上H。P0。对HDP氧亿膜的速率的援格限定，是 O．卜1A／MIN。在产品上水准分割实验目的是将第一步的氧化膜的腐蚀时间进行适 当延长，保证氧化膜的完成瘸蚀：第二步氮化硅膜的腐蚀时闻不变，但是通过追 加氧化膜的腐蚀时间将HDP氧化膜的速率规格的下限限定取消，即在氮化硅膜腐 蚀时，H，PO。对HDP氧化膜的腐蚀速率在小于1A／MIN的情况_F即可作业，从而放宽 在H：，pO一药液的一个使用周期内可利用豹作业期闯，有效提高了设备生产效率，加 快了产品的流通速度。 表4—4：新旧工艺条件比较表 氧化膜腐蚀时间 (MIN) 氮化硅膜腐蚀时间 H3P04／HDP氧化膜速 ∞IN) 15 15 率规格 现 0．1—1 A／MIN 状工艺条{孛 目标工艺条件 3。5 4 图4—5：产品实验水准 在该实验水准表中，保持了第二步氮化硅膜的腐蚀条件不变，而第一步的氧 化膜腐蚀时问分别进行了3．5分钟，3．8分钟，4分钟，4．2分钟，4．5分钟的水准分害l 作业叛工艺条件的窗口确认：同时，在新的基标工艺条件下(4分钟和15分钟) 42 需要确认mP0。药液在一个使用周期内，随着对HDP氧化膜腐蚀速率的递减的情况 下，各个水准之间膜厚的差异性。 4．4．2．2产品上的分割水准实验的结果及分析 通过上节所表示的水准进行了评价实验，结果显示保持第二步氮化硅的腐蚀 条件不变，第一步豹氧化膜腐蚀时间从3．5分钟型4．5分钟的5个水准之间，从实 验产品硅片上所测定的各层膜的厚度之间无差异性：同时在新工艺条件下(4分 钟和15分钟)在H。PO。药液在一个使用周期内不同的时间点进行确认，同样，从实 验产品硅片上所测定的各屡膜的厚度之闼也无差异矬。从而验证了新条件在实际 的生产中有足够的工艺窗口余量，既可以有效的防止氮化硅膜的残留，又可以傈 证各层的栅氧厚度在制品规格内。 在H．；P0。药液在一个使用周期内不同的时间点进行确认时，所收集到2个实验 制品批次作业时豹H。PO。药液对H印氧化膜的腐蚀速率依此分别为0．91A鹰IN， O．69A／MIN，O．045A／MIN茅日O．523A／MIN，0．137A／MIN，～O．236A／MIN，；￡中速率为 O，045A，／MIN和nO．236A／MIN的两个时间点是在H3P04液交换前最后～个批次作业 时所收集的，放可以认为是一个恶化条件的确认。 实验所测定的产品上的膜厚结果如下图所示 图4—6＆图4—7 2个实验LOT各实验水准条件下缓冲氧化层的厚度 43 图4—8＆图4 9 2个实验L。T各实验水准条件下高压区域撵氧的厚 度 图4一lO＆圈4一ll 2个实验LOT各实验水准条件下中压区域栅氧的厚度 图4—12＆图4一13 2个实验LoT各实验水准条件下低压区域栅氧的厚度 从圈4—6到圈4一13的2个制品实验批次膜厚测定结栗来蓉，不同的条件水准 (氧化膜腐蚀时间并加上递减的H：；P0。药液对HDP氧化膜腐蚀速率)之间的产晶硅 片，各屡膜厚之间无差嚣性： (1)：缓冲氧化膜厚度均稳定在140A—155A之间(规格为130A—160A)，说明各 个水潍的条件下作业均未发生氮化膜残留的异常。 (2)：高压栅氧的厚度均稳定在中心值lOooA左右，未超过规格限定的上下50A (3)：中压橼氧的厚度均稳定在中心傻155A左右，未超过规格限定的上下10A (4)：低压栅氧的厚度均稳定在中心值58A左右，未超过规格限定的上下3A 需要说明的2点情况； 1)：上面的膜厚结构分析图，横轴第一行所代表的是实验进行当时的H护0。 药液对}fOP氧化膜的腐蚀速率，横雅第二行所代表的是第一步氧化膜腐蚀的不同 时间；纵轴所代表的是备层膜厚度的测定结果。 4。4。2．3实验品上豹恶倔条件分割水准实验 实验硅片上恶化条件的实验水准表 图《一14：实验品约瑟化实验承准 实验品上进行的恶化条件实验与上恧所叙述正常产品实验的区别是，实验品 150+一loA，故实验硅片氮化硅膜的厚度设定为160A。 两步的腐蚀条件的水准设定与产品的实验类似，追加了一个最恶化的腐蚀时 刚组合(相对中心条件较短的腐蚀时间：3。8分钟和12分钟)；同样，也需要确 在新的中心工艺条件下，H。PO。药液在一个使雳周麓内，随饕对HDP氧化膜腐 率的递减的情况下，各个水准之问膜厚的差异性。 ．4．2．4实验品上的恶化条件分割水准实验结果及分析 通过实验结栗图4一15到图4一酶所示，即使在最恶化的条{牛(氮化硅膜厚度 ；腐蚀条件为3．8分钟和12分钟)也没有发生氮化硅膜残留的异常，故可 实验所测定的实验品上的膜厚结果如F图所示： 4S 刻意使用将氮化硅膜的厚度设定成长为制品厚度的上限。正常产品．上氮化硅膜膜厚度规格为f认诎速4160A以验证将速率规格下限限定取消的可行性；同时，从实验晶硅片上所测定的各实验水准间各层膜的厚度之间也无差异性，从而又可以进一步验证在正常产品实验中所得出的结论。 图4—15：实验品各水准问高压区域栅氧的厚度 图4—18：实验品各水准闯中压区域搬氧的厚度 图4一17：实验品各水准间低压区域栅氧的厚度 图4—18：实验品各水准间缓冲氧化层的厚度 同样，需要说明的2点情况： 1)：上面的膜厚结构分析图，横轴第 行及第二行所代表的含义与图4—6到 图4 13相同，横轴第三行代表氮化硅膜的腐蚀时闻；纵轴所代表的是各层膜厚度 的测定结果。 2)：由于实验品是用 般盼硅片按照正常的产品流程进行投入，只是用于实 验用，并不涉及与客户之间的关系，故无需进行特性参数和良品率的测试。 47 第五章研究课题的总结和展望 5．1研究课题的总结 本论文课题的内容是结合了笔者本人在FAB工厂内的实际的工作经历加以 研究分析。在集成电路的工艺流程中，馊用热磷酸(}{。pO。)药液对氮化硅膜进 行湿泫腐蚀是一项比较成熟而稳定的工艺步骤。但是，在进行氮化硅膜腐蚀的 同时，对产品硅片表面其他区域(沟槽隔离区域或栅氧区域)的氧化膜同时起 到了腐蚀作用，所以在臻pO。药液在腐蚀氮化硅膜的同时，如何控制其对氧化硅 膜的腐蚀影响，并如何将这一关系合理地运用到实际生产中，以改善产品的品 质同时提高生产效率，成为本研究谍题的重点。 5．1．1磷酸药液部分交换方法刻蚀研究的总结 在第一项研究内容中，通过改变H：。PO。固有的药液交换方法(全槽药液交换 变为部分药液交换，并且相应短缩了滚交换的频度)，从丽有效邈改善了H。P毡 药液中由于si离子浓度饱和而引起的二氧化硅颗粒的析出问题；同时，在实施 了部分药液交换后使得娃：：PO。药液对如P氧化硅膜腐蚀速率提升到接近氮化硅膜 腐蚀时H：，PO．药液对HDP氧化硅膜的限定的腐蚀速率规格( 次数和部分药液交换的量。根据DOE的设计思路：部分液交换的作业批次数分 别选定lO个，15个，20个，25个批次四个餐选项：部分液交换量选定交换5％， 28％，60％的药液三个备选项。阱上所构成实验因素分别进行维合，收集部分液 交换前后腐蚀速率和颗粒变化的数据。 通过这两个液交换参数的组合，希望实现在进行了部分液交换后，H，PO。药液 对HDP氧化膜的腐蚀速率从零可以有所提升，最好的效果就是可以提升到接近 速率限定规格0．5A／MIN，这样既可以缩短了全槽液交换后初期H卵腐蚀速率下 降的那段期间，提高了设备的生产利用率；同时又可以有效的防止了H。P啦药液 中的siO：颗粒析出趣题，从两达到实旌部分药渡交换的最佳目的。 在确定了2个液交换参数后(15个批次和交换28％的量)，第二步就需要收 集在实旌了部分液交换届的产品作业周期内}{。Pq药液对各种氧化硬帮氮化礁 膜腐蚀速率的变化规律，同时随机的抽查在部分液交换周期内，尤其是临近液 交换时进行{乍业的制品表面颗粒粘污的状况，从而可以体现出实簏部分药液交 换后对于改善二氧化硅颗粒析出同时提高设备生产效率的优势。 48 5．1．2特殊结构的产品氮化硅膜腐蚀工艺步骤的优化研究的总结 对于某些特殊结构的产品，即氮化硅膜用做栅氧氧化时的阻挡层，由于开 发初期的工艺问题，导致由于表面氧化硅膜腐蚀不充分而引起的氮化硅膜残留 的异常。故需要对两步的湿法腐蚀条件(氮化硅膜的腐蚀和表面氧化膜的腐蚀) 进行重新评价，包括正常作业产品的水准分割评价和实验品上的恶化条件确认。 这里说明一点：所谓的恶化条件就是向将工艺条件刻意向最容易出现异常 状况的方向进行引导。在本课题内容，就是将氮化硅膜的厚度长厚(正常厚度 规格的上限)；同时将两步的湿法腐蚀时间缩短，即都是往容易出现氮化硅膜残 留异常的方向进行工艺实验。进行恶化实验的优点就是有利于发现异常产生的 根源，同时有助于及时采取相应的措施进行预防和杜绝。 希望实现的新工艺腐蚀条件是延长第一步的表面氧化硅膜腐蚀时间从3．5 分钟到4分钟，扩大第一步氧化膜腐蚀条件的工艺窗口；同时对氮化硅膜腐蚀时 HDP氧化硅膜的腐蚀速率规格进行了优化放宽，从O．卜lA／min变成 5．2研究课题的展望 对于第一项课题内容，由于对于H，PO。药液使用部分液交换的方法在实际生产 中是第一次采用，故在运用于生产的初期阶段，采用的是一次部分液交换在加上 一次全槽液交换的方式(即液交换参数中全量Lifecount设定是“2”)，即相当 于原先的液交换频度多交换了28％的药液。故今后还可以继续对这一实际生产中 课题项目进行评价，延长部分液交换的循环次数(Lifecount设定是“3，4，5 ”) 将改善产品品质，提高生产效率，合理使用药液量这三者之间的关系协调到达最 优化的组合。 对于第二项的课题内容，下一步工作就需要对该特殊产品的工艺结构和临 近的热氧化成膜工艺进行深入研究了解，包括相关的热氧化工艺在不同衬底(氮 化膜衬底和硅基板衬底)上成膜状况的差别；以及湿法腐蚀后残留不同膜层厚 度对产品特性的不同影响等等内容。这样在以后遇到类似相关工艺的产品开发 时，有助于及时而准确的确定氧化膜湿法腐蚀或氮化硅膜湿法腐蚀的工艺条件 窗口，保证产品开发的顺利进行。 49 参考文献 [1]Stephen A．Campbell．The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication second edition[M]．北京：电子工业出版社，2003：156一157． [2]Michael Quirk， Jul ian Serda． SemiconductorManufacturing Technology[M]．北京：电子工业出版社，2004：23卜233． w M content of plasma deposited silicon [3]]Lanford A，Rand J．The hydrogen nitride[J]． 』．Appl．Phys，1978，49(4)：2473—2477． [4]王阳元，关旭东，马俊如．集成电路工艺基础[M]．北京：高等教育出版社， 1991：253—267． [5]W．A．Kern，C．A．Deckert．Chemical Etching in Thin Film Processing[M]．New York： J．L．Vossen Edition， 1978：121一124． [6]Michael Quirk， Julian Serda． Semiconductor ManufacturingTechnology[M]．北京：电子工业出版社，2004：43卜432． [7]S．wolf，R．N．Tauber． Silicon Processing for VSLI Era vol 1[M] CA：Lattice Press．1986：320一329． [8]S．Mahajan，K．S．Harsha． Principles of Growth and Processing ofSemiconductors[M]． Bosten：McGraw—Hill Edition， 1999：36—40． [9]Rodica Iosub，Carmen M。ldovan．silic。n membranes fabrication by wet anisotr。pic 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