上腔室窗口温度对STI刻蚀工艺的影响 - 全文

　　本文在浅沟槽隔离刻蚀过程中发现，当刻蚀腔室上石英窗口的温度超过85℃时，刻蚀终止出现在300mm晶圆的中心。我们认为刻蚀终止的原因是由于某些低挥发SiOxCly刻蚀产物再淀积。石英窗口温度低时，此产物有部分淀积在窗口上，但窗口温度上升高于晶圆温度(60℃恒温)时，这些产物就淀积在晶圆上，导致刻蚀终止。

　　实验

　　在感应耦合等离子反应装置中对300mm晶圆(无图形晶圆及有图形晶圆)进行相应的刻蚀。表1为STI刻蚀参数。

　　

 

　　刻蚀无图形Si晶圆时，STI刻蚀是由基于CF4的短路击穿步骤刻穿在Si表面形成的自然氧化物。在有图形晶圆的情况下，堆叠由8nm SiO2和上面的90nm Si3N4组成。用带有底部抗反射涂层(BARC)的193nm波长光刻胶制作图形。有图形晶圆的刻蚀步骤如下：刻蚀BARC、刻蚀Si3N4和SiO2(一步完成)、剥离光刻胶(在同一刻蚀室内)、穿透刻蚀(除去O2基剥离过程中形成的氧化物)以及STI刻蚀。可见，STI刻蚀是在没有光刻胶时以Si3N4作为掩膜进行的。为了检查温度对刻蚀工艺的影响，改变晶圆衬底的温度(此温度可通过菜单设置控制)和上石英窗口的温度(此温度会因腔室中激发等离子体而上升)。上石英窗口温度用热电偶监测。

　　刻蚀后，晶圆的性质用多种测量方法测定。有图形晶圆的刻蚀情况用扫描电子显微镜(SEM)检查。无图形Si晶圆用椭圆偏振光谱仪测量刻蚀终止层的厚度，用飞行时间二次质谱仪(TOFSIMS)测量化学组分和被刻蚀表面的形状。晶圆温度用KLA-Tencor的敏感晶圆测量，它能记录刻蚀过程中晶圆表面温度的变化情况。

　　结果和讨论

　　图1是观测到的刻蚀终止现象。刻蚀终止在开放区域的晶圆中央完成，远离中央出现类似针状的结构(部分刻蚀终止或微掩蔽)，在晶圆边缘处没有观测到刻蚀终止。

　　

 

　　当刻蚀一批23片晶圆时，这一现象在最后的10-15片晶圆上观察到。分析刻蚀设备数据记录后发现，随晶圆数目变化的唯一参数是上石英窗口的温度。如图2所示，窗口温度与出现刻蚀终止之间可见明显的关联。

　　还发现刻蚀终止对等离子体中的氧浓度极其敏感。氧浓度为10sccm时，任何窗口温度下都观察不到刻蚀终止，而氧浓度为15sccm时，任何窗口温度下都可观察到刻蚀终止。总之，上窗口温度以某种方式影响有氧存在时的机理。

　　解释此影响曾有几种假设：热量从上窗口向晶圆传递;等离子组分的改变(特别是氧浓度的增加)是由于热窗口上的复合减少;某些低挥发刻蚀产物的淀积平衡改变(在热窗口上淀积少，较冷的晶圆上淀积多)。

　　热量从上石英窗口向晶圆传递

　　热传递之后的推理如下。当上窗口加热时，热量向晶圆表面传递。较热的表面在有氧存在时氧化较快，氧化/刻蚀的平衡向氧化偏移。但是，用KLA-Tencor的传感晶圆测量晶圆表面温度时排除了晶圆加热：当窗口从50℃加热到100℃时，观察不到晶圆温度的任何变化。另一个否定热传递的事实是，当衬底温度从60℃升高到70℃时，观测到的刻蚀终止实际上是减少的。

　　

 

　　在加热的石英窗口上O原子复合减少

　　复合减少的推理如下。温度增加使氧原子解吸，从而减少了表面复合的几率，并增加了等离子体内的氧原子浓度，这就促进Si表面氧化引起刻蚀终止。但在我们的温度范围内，复合几率并不随温度有多少改变，甚至温度高达1300℃时仅稍有增加。进而电子碰撞率(由自激励电子等离子共振谱仪SEERS测定)也显示随窗口温度的增加改变有限，这可用中性加热解释，化学组分没有改变。

　　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。

　　

 

　　结论

　　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。