反應(yīng)離子刻蝕工藝中顆粒異常分析與改善

劉錫鋒　何卓航　林嬋

摘 要：在使用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝制造集成電路中，金屬刻蝕后原介質(zhì)層產(chǎn)生密集黑色顆粒物。采用了隧道掃描電鏡（STM）的方法，對樣片進行觀測分析，結(jié)果表明該黑色顆粒為碳化后的胺類副產(chǎn)物。通過對反應(yīng)過程的分析研究，確定了該問題產(chǎn)生的原因。為了解決該問題，在不改變工藝壓力和溫度的情況下，調(diào)整射頻功率來提高反應(yīng)效率。調(diào)整完成后進行了實驗驗證，結(jié)果表明該方法切實有效，顆粒問題得到了明顯改善。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)離子刻蝕 隧道掃描 顆粒問題 胺類副產(chǎn)物 射頻功率

Analysis and Improvement of Particle Abnormalities in Reactive Ion Etching Process

Liu Xifeng He Zhuohang Lin Chan

Abstract：In the manufacture of integrated circuits using reactive ion etching （RIE） technology， dense black particles are produced in the original dielectric layer after metal etching. Using the tunnel scanning electron microscope （STM） method， the sample was observed and analyzed， and the results showed that the black particles were carbonized amine by-products. Through analysis and research on the reaction process， the cause of the problem was determined. In order to solve this problem， the RF power was adjusted to improve the reaction efficiency without changing the process pressure and temperature. After the adjustment was completed， the experimental verification was carried out， and the results showed that the method was effective and the particle problem was significantly improved.

Key words：reactive ion etching， tunnel scanning， particle problem， amine by-products， radio frequency power

1 引言

集成電路制造是集成電路產(chǎn)業(yè)必不可少的一環(huán)，但由于其發(fā)展速度快，涉及學(xué)科廣而深，產(chǎn)業(yè)投入巨大，因此我國的集成電路制造業(yè)長期落后于國際集成電路制造業(yè)同行。近年來隨著需求的增加和社會關(guān)注度提高，國內(nèi)集成電路制造生產(chǎn)線不斷壯大[1，2]。反應(yīng)離子刻蝕是集成電路制造工藝的重要工藝步驟，它的工藝質(zhì)量直接決定了最終芯片的性能[3-5]。顆粒問題是反應(yīng)離子刻蝕中影響較大的異常。要解決該問題首先要清楚顆粒問題產(chǎn)生的原因。但根據(jù)國內(nèi)外已有文獻的研究，反應(yīng)離子刻蝕中顆粒問題的原因較多，有溫度壓力等反應(yīng)條件異常造成的生成物顆粒[6，7]，也有反應(yīng)過程中由于設(shè)備真空度所引入的環(huán)境顆粒[8]。因此遇到顆粒異常需要具體問題具體分析。在某集成店電路工藝過程中，反應(yīng)離子刻蝕步驟發(fā)生了黑色顆粒問題，為了解決該問題，文章對顆粒進行了分析，并進行了實驗驗證。

2 反應(yīng)離子刻蝕機制原理

反應(yīng)離子刻蝕（RIE）是集成電路制造工藝中刻蝕工藝的一種，它具有各向異性、刻蝕均勻性好、刻蝕線寬損失小等特點。特別適用于對刻蝕精度要求高的低線寬工藝場合。除此之外，它還能夠方便實現(xiàn)終點控制，不會導(dǎo)致過腐蝕而影響工藝質(zhì)量[5]。

反應(yīng)離子刻蝕工藝所涉及到的刻蝕質(zhì)量主要有刻蝕速率、刻蝕均勻性等。其中刻蝕速率比較關(guān)鍵，往往許多刻蝕工藝過程中出現(xiàn)的問題都與刻蝕速率有關(guān)?？涛g速率公式如下：

（1）

式（1）中RV為刻蝕速率，其為時間函數(shù)，Tox為膜層厚度，t為時間。

3 顆粒問題特征及分析

集成電路制造工藝是一個復(fù)雜的過程，中間的任何環(huán)節(jié)、步驟或工藝條件出問題都會導(dǎo)致工藝產(chǎn)生質(zhì)量問題。在分析和處理工藝質(zhì)量問題時通常會從操作人員、工藝材料本身、工藝條件（如溫度、壓力等）、工作環(huán)境（如空氣凈化等級）、設(shè)備和工藝過程等因素切入分析。

在某公司一款0.18um工藝反應(yīng)離子刻蝕工藝過程中，在進行常規(guī)的刻蝕工藝后原片表面檢查步驟時，通過高倍顯微鏡鏡檢查發(fā)現(xiàn)，金屬刻蝕后原介質(zhì)層產(chǎn)生密集黑色顆粒物。其結(jié)果如下圖1所示。

根據(jù)該現(xiàn)象，考慮該異常可能的原因有：介質(zhì)層平坦化不足、金屬刻蝕殘留、設(shè)備腔體污染、工藝條件偏差等。經(jīng)過設(shè)備情況、工藝前后步驟、材料分析等檢查后，并未排查出導(dǎo)致黑色顆粒的真正原因，也就是說這三個因素可以排除。

工藝流程和參數(shù)是否合理時工藝質(zhì)量的關(guān)鍵，它直接決定了工藝質(zhì)量的好壞。有必要重點考慮該黑色顆粒可能由工藝條件不匹配導(dǎo)致，即工藝菜單中溫度、壓力、電流強度等參數(shù)需要調(diào)整。為此，首先對芯片進行了掃描隧道顯微鏡分析，如圖2所示。

從圖2可能看出，顆粒物具有與周邊材料完全不同的外觀特征，根據(jù)形貌分析應(yīng)為某種碳化物或者空氣中的懸浮顆粒沉積。由此可以判斷，顆粒物材質(zhì)應(yīng)該不是刻蝕殘留或者光刻膠未去盡。其來源只能是設(shè)備問題或設(shè)備導(dǎo)致的真空問題引起，也可能是由于反應(yīng)不完全導(dǎo)致的副產(chǎn)物所致。根據(jù)設(shè)備檢查結(jié)果已經(jīng)可以排除前兩種可能，因此鎖定問題原因為反應(yīng)刻蝕不完全導(dǎo)致的副產(chǎn)物。整個刻蝕反應(yīng)過程唯一可能導(dǎo)致生成碳化物的為酰胺類反應(yīng)物，故判斷該顆粒為反應(yīng)過程中，未完全反應(yīng)的酰胺反應(yīng)物產(chǎn)生的胺類碳化副產(chǎn)物。