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等离子表面处理机多晶硅栅极蚀刻

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发布时间：

2020-11-03

等离子表面处理机多晶硅栅极蚀刻：

当CMOS工艺延伸到65nm及以下工艺节点时，等离子表面处理机栅极的蚀刻制造面临诸多挑战。作为控制沟道长度的关键工艺，多晶硅栅极的图形与器件性能紧密相连，牵一发而动全身。摩尔定律推动黄光图形技术从248nm波长光源工艺转向193nm 波长光源工艺。这一转变在2012年成功实现了30nm 的图形分辨率。然而，193nm光阻的化学组分与248nm光阻有很大差异，在恶劣的等离子体环境下，其抗蚀刻能力较差。为了保证曝光工艺窗口，需要采用的193nm光阻的厚度更薄。在此情况下，栅极图形尺寸控制，如特征尺寸、线宽均匀性、侧璧角度、侧壁形状(凹进，突出）和线宽粗糙度等特性都是需要严格控制的工艺参数。

传统的多晶硅栅等离子表面处理机蚀刻采用的无机硬掩膜(一般为氮化硅)蚀刻方式极易产生栅极侧壁粗糙的问题。另一方面，为了解决多晶硅栅的耗尽层问题，需要对多晶硅膜层进行预先的掺杂，一般为磷掺杂。由于通过等离子表面处理机离子注入的掺杂集中在多晶硅的上半部，多晶硅栅在使用热磷酸去除硬掩膜时，有发生严重的颈缩(Necking)现象。正因为遇到上述问题，多晶硅栅蚀刻在65nm以后转向软掩膜蚀刻方法为主。传统多晶硅栅的蚀刻以卤族气体元素为主，例如 Cl2，HBr。预掺杂的多晶硅在卤族气体蚀刻中同样遇到缩脖现象。韩国李等人在文献中通过掺杂和卤族气体原子或分子的库仑力来解释这一现象。N型掺杂的磷或砷与化学吸附的卤族气体产生的相互吸引的库仑力，会增加对掺杂多晶硅的等离子表面处理机蚀刻率，进而产生缩脖现象。张等人研究了HBr/Cl2，HBr/O2和CF4对N型掺杂多晶硅蚀刻率的影响。CF4气体在N型掺杂多晶硅和未掺杂多晶硅的蚀刻率差异小，在5%以内。而 HBr/O2的蚀刻率差异大于20%，HBr/Cl2的蚀刻差异率介于二者之间，约为13%。因此，在蚀刻位于多晶硅栅上半部的N型掺杂多晶硅时，采用CF4是较好的选择。因为多晶硅栅蚀刻要停止在栅氧化硅上，因此当使用CF4 气体的主蚀刻步骤蚀刻完上半部的掺杂多晶硅后，蚀刻剩余的20%的多晶硅栅下半部的过蚀刻步骤需要采用HBr/O2气体蚀刻，以实现等离子表面处理机多晶硅蚀刻对栅氧化硅的高选择比。如前文所述，HBr/O2对N型掺杂多晶硅的蚀刻率比未惨杂多晶硅高20%，极易产生缩脖效应，因此 HBr/O2的过蚀刻量要严格控制，一般以30%为宜，过少的过蚀刻量会导致多晶硅栅侧壁底部长脚(Footing)，过多的过蚀刻量会导致上部缩脖效应加剧。

等离子表面处理机过蚀刻步骤尽管采用具有针对栅氧化硅较高蚀刻选择比的HBr/O2蚀刻工艺，仍然容易导致硅穿孔(Pitting)及硅损伤。硅穿孔的产生，一般是因为主蚀刻步骤蚀刻过量，触及栅氧化硅，或者HBr/O2工艺不够优化导致蚀刻选择比下降。而多晶硅栅蚀刻造成的硅损伤(Si Recess)，通常是在无蚀损斑的情况下，通过透射电镜发现。其成因与蚀刻选择比无直接关联。由于硅损伤会造成器件饱和电流的下降，因此需要任多晶硅栅蚀刻中严格控制体硅损伤。等离子表面处理机多晶硅栅蚀刻造成的体硅损伤原理由于等效氧化硅厚度( Effective Oxide Thickness，EOT)的考量，在65nm以下工艺，栅氧化层薄至1~2个纳米。在HBr/O2等离子体中，HBr分解出氢离子，因为氢离子的质量非常小，在电场的加速下，高能氢离子可以穿过栅氧化硅，注入深达10nm的体硅中，使体硅产生位错缺陷，而后氧原子更加容易进人破坏的体硅内部，形成氧化层。氧化层在随后的清洗过程中被去除，造成了体硅的损伤。同样的电场加速条件下，HBr/O2气体等离子体产生的损伤层深度为10nm。如果没有HBr 气体的参与，单纯的O2气体条件下，体硅损伤层深度仅仅为2nm左右。由此可见，要解决体硅损伤的问题，要先降低加速氢离子的电场强度。在能保持多晶硅栅侧壁形貌的前提下，将偏置电压从80V下降到60V，体硅损伤可以从8.5A下降到6.3A。与传统的等离子表面处理机连续型等离子体相比，等离子表面处理机脉冲等离子体可以有效地降低电场强度，在同步脉冲等离子体中，体硅损伤层的厚度只有连续型等离子体工艺的20%，代表了未来等离子体蚀刻的方向。

多晶硅栅的特征尺寸直接决定了器件沟道长度，因此晶片内部的尺寸均匀性，晶片和晶片之间的特征尺寸变化控制都是多晶硅栅蚀刻的重中之重。多晶硅栅的特征尺寸由无定形碳三明治结构的蚀刻来决定。因此在等离子表面处理机三明治结构的蚀刻中，加入了特征尺寸修整步骤(Trim)。修整步骤以具有较少副产物的高氟碳比气体的各向同性蚀刻为主，如CF4或者NF3等气体蚀刻。修整步骤的蚀刻时间与特征尺寸的变化关系，称之为修整曲线(Trim Curve)。通过修整曲线，找出修整T步的线性区间，进而得到修整工艺的可调整范围，通过调整修整步骤的时间，可以准确地微调多晶硅栅的特征尺寸。同时通过先进过程控制(Advanced Process Control，APC)，根据曝光尺寸的变化，运用软件系统动态调整修整步骤的时间，得到稳定一致的多晶硅栅的特征尺寸。测量黄光工艺后光阻的特征尺寸，将其与目标值的差异反馈到其后的多晶硅栅蚀刻的修整时间，称之为向前反馈(Feed Forward)。这一反馈可以有效消除黄光工艺带来的光阻特征尺寸误差。而等离子表面处理机蚀刻后的特征尺寸测量值与目标值的差异，可以反馈到修整曲线的修正，以消除由于蚀刻腔体条件变化对特征尺寸的影响，称之为后反馈(Feedback)。

多晶硅栅的特征尺寸均匀性决定了饱和电流的收敛程度。目前业界主流的多晶硅栅蚀刻机台都配备了多区温控静电吸盘，通过控制晶片上不同区域的温度，从而控制线条侧壁上副产物的吸附，起到控制线条特征尺寸的目的。传统的静电吸盘有两区和四区两种，它只能改善不同环形区域的特征尺寸差异。现今的等离子表面处理机设备中已开发出配置有更加强大的网格型温控静电吸盘，可以独立控制晶片上更小的区域，更加有效地改善不对称的特征尺寸差异。

除了等离子表面处理机蚀刻工艺的调整，通过对蚀刻后特征尺寸的大数据量的收集，利用专用软件分析，得出新的带预补偿能量的曝光条件(Dose Mapper，DOMA)，改善晶片内特征尺寸均匀性，也是一种成熟有效的方法。实践证明，通过这种方法可以改善30%的特征尺寸均匀性。

等离子表面处理机多晶硅栅极蚀刻