[導讀]淺溝槽隔離（STI）廣泛用于超大規(guī)模集成器件。溝槽的等離子刻蝕是是完成STI的關(guān)鍵步驟之一。隨著現(xiàn)代半導體制造工藝規(guī)格日趨嚴格，必須了解眾多等離子刻蝕參數(shù)并加以控制?？涛g室的狀態(tài)就是這些關(guān)鍵參數(shù)之一，尤其是
淺溝槽隔離（STI）廣泛用于超大規(guī)模集成器件。溝槽的等離子刻蝕是是完成STI的關(guān)鍵步驟之一。隨著現(xiàn)代半導體制造工藝規(guī)格日趨嚴格，必須了解眾多等離子刻蝕參數(shù)并加以控制。刻蝕室的狀態(tài)就是這些關(guān)鍵參數(shù)之一，尤其是上石英窗口的溫度。如果不加控制，由于在窗口上再淀積物的積累以及等離子的加熱，窗口溫度就會隨加工晶圓數(shù)量的增加而增加。
本文在淺溝槽隔離刻蝕過程中發(fā)現(xiàn)，當刻蝕腔室上石英窗口的溫度超過85℃時，刻蝕終止出現(xiàn)在300mm晶圓的中心。我們認為刻蝕終止的原因是由于某些低揮發(fā)SiOxCly刻蝕產(chǎn)物再淀積。石英窗口溫度低時，此產(chǎn)物有部分淀積在窗口上，但窗口溫度上升高于晶圓溫度（60℃恒溫）時，這些產(chǎn)物就淀積在晶圓上，導致刻蝕終止。
實驗
在感應(yīng)耦合等離子反應(yīng)裝置中對300mm晶圓（無圖形晶圓及有圖形晶圓）進行相應(yīng)的刻蝕。表1為STI刻蝕參數(shù)。
刻蝕無圖形Si晶圓時，STI刻蝕是由基于CF4的短路擊穿步驟刻穿在Si表面形成的自然氧化物。在有圖形晶圓的情況下，堆疊由8nm SiO2和上面的90nm Si3N4組成。用帶有底部抗反射涂層（BARC）的193nm波長光刻膠制作圖形。有圖形晶圓的刻蝕步驟如下：刻蝕BARC、刻蝕Si3N4和SiO2（一步完成）、剝離光刻膠（在同一刻蝕室內(nèi)）、穿透刻蝕（除去O2基剝離過程中形成的氧化物）以及STI刻蝕。可見，STI刻蝕是在沒有光刻膠時以Si3N4作為掩膜進行的。為了檢查溫度對刻蝕工藝的影響，改變晶圓襯底的溫度（此溫度可通過菜單設(shè)置控制）和上石英窗口的溫度（此溫度會因腔室中激發(fā)等離子體而上升）。上石英窗口溫度用熱電偶監(jiān)測。
刻蝕后，晶圓的性質(zhì)用多種測量方法測定。有圖形晶圓的刻蝕情況用掃描電子顯微鏡（SEM）檢查。無圖形Si晶圓用橢圓偏振光譜儀測量刻蝕終止層的厚度，用飛行時間二次質(zhì)譜儀（TOFSIMS）測量化學組分和被刻蝕表面的形狀。晶圓溫度用KLA-Tencor的敏感晶圓測量，它能記錄刻蝕過程中晶圓表面溫度的變化情況。
結(jié)果和討論
圖1是觀測到的刻蝕終止現(xiàn)象?？涛g終止在開放區(qū)域的晶圓中央完成，遠離中央出現(xiàn)類似針狀的結(jié)構(gòu)（部分刻蝕終止或微掩蔽），在晶圓邊緣處沒有觀測到刻蝕終止。
當刻蝕一批23片晶圓時，這一現(xiàn)象在最后的10-15片晶圓上觀察到。分析刻蝕設(shè)備數(shù)據(jù)記錄后發(fā)現(xiàn)，隨晶圓數(shù)目變化的唯一參數(shù)是上石英窗口的溫度。如圖2所示，窗口溫度與出現(xiàn)刻蝕終止之間可見明顯的關(guān)聯(lián)。
還發(fā)現(xiàn)刻蝕終止對等離子體中的氧濃度極其敏感。氧濃度為10sccm時，任何窗口溫度下都觀察不到刻蝕終止，而氧濃度為15sccm時，任何窗口溫度下都可觀察到刻蝕終止?？傊?，上窗口溫度以某種方式影響有氧存在時的機理。
解釋此影響曾有幾種假設(shè)：熱量從上窗口向晶圓傳遞；等離子組分的改變（特別是氧濃度的增加）是由于熱窗口上的復合減少；某些低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物的淀積平衡改變（在熱窗口上淀積少，較冷的晶圓上淀積多）。
熱量從上石英窗口向晶圓傳遞
熱傳遞之后的推理如下。當上窗口加熱時，熱量向晶圓表面?zhèn)鬟f。較熱的表面在有氧存在時氧化較快，氧化/刻蝕的平衡向氧化偏移。但是，用KLA-Tencor的傳感晶圓測量晶圓表面溫度時排除了晶圓加熱：當窗口從50℃加熱到100℃時，觀察不到晶圓溫度的任何變化。另一個否定熱傳遞的事實是，當襯底溫度從60℃升高到70℃時，觀測到的刻蝕終止實際上是減少的。
在加熱的石英窗口上O原子復合減少
復合減少的推理如下。溫度增加使氧原子解吸，從而減少了表面復合的幾率，并增加了等離子體內(nèi)的氧原子濃度，這就促進Si表面氧化引起刻蝕終止。但在我們的溫度范圍內(nèi)，復合幾率并不隨溫度有多少改變，甚至溫度高達1300℃時僅稍有增加。進而電子碰撞率（由自激勵電子等離子共振譜儀SEERS測定）也顯示隨窗口溫度的增加改變有限，這可用中性加熱解釋，化學組分沒有改變。
低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物淀積平衡的變化
淀積平衡的變化似乎是觀測到的刻蝕終止現(xiàn)象最貌似合理的解釋。在用Cl2/O2化學品刻蝕Si過程中，可能會形成某些低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物。這些產(chǎn)物再淀積在腔壁、上窗口和晶圓上。但是，晶圓上再淀積產(chǎn)物數(shù)量少時，它們會被等離子刻蝕掉。當上窗口溫度增加時，淀積平衡就因晶圓比窗口溫度低而發(fā)生偏移，低揮發(fā)產(chǎn)物更傾向淀積在晶圓上。到達某一點，淀積超過刻蝕，就發(fā)生刻蝕終止。
在刻蝕終止區(qū)域的所有結(jié)構(gòu)上都觀察到厚25nm的薄膜，見圖3。比較同一晶圓的不同區(qū)域（刻蝕終止-左面、刻蝕完成-右面）可以發(fā)現(xiàn)，薄膜不僅淀積在頂部Si表面，而且淀積在Si3N4上。在各結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上亦觀測到此薄膜。
淀積層大多是含百分之幾Cl的SiO2一類。像SiO2一樣，它很容易用HF水溶液去除，TOFSIMS顯示存在Si、O和Cl（圖4）。薄膜/Si界面處的Cl濃度增加，這一現(xiàn)象解釋如下。當Si用氯氣刻蝕時，在表面上形成富Cl層。薄膜淀積在Si表面頂部時，富Cl層埋入淀積薄膜下面。
用橢圓偏振光譜儀進行的薄膜厚度測量結(jié)果也支持上述再淀積理論?？涛g體Si時，薄膜厚度隨刻蝕時間線性增長（圖5），一個典型的淀積行為。Si源有限（在SiO2上淀積200nmSi）時，無Si留下產(chǎn)生刻蝕產(chǎn)物，薄膜生長終止。O2濃度過高（50sccm）時，刻蝕終止幾乎發(fā)生在整個晶圓上，且造成刻蝕產(chǎn)物的可用Si數(shù)量亦是有限的。隨晶圓溫度增加而刻蝕終止減少也支持淀積理論--在較熱的表面淀積比較不明顯。
結(jié)論
對于刻蝕終止隨上石英窗口溫度增加而出現(xiàn)的最可能解釋是，一些低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物（可能是SiOxCly一類物質(zhì)）淀積平衡的改變。窗口溫度與晶圓溫度（60℃）相當時，低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物淀積在晶圓和窗口上。一旦窗口溫度上升高于85℃，低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物優(yōu)先淀積在此時溫度低于窗口的晶圓上，引起刻蝕終止。 [!--empirenews.page--]
本文在淺溝槽隔離刻蝕過程中發(fā)現(xiàn)，當刻蝕腔室上石英窗口的溫度超過85℃時，刻蝕終止出現(xiàn)在300mm晶圓的中心。我們認為刻蝕終止的原因是由于某些低揮發(fā)SiOxCly刻蝕產(chǎn)物再淀積。石英窗口溫度低時，此產(chǎn)物有部分淀積在窗口上，但窗口溫度上升高于晶圓溫度（60℃恒溫）時，這些產(chǎn)物就淀積在晶圓上，導致刻蝕終止。
實驗
在感應(yīng)耦合等離子反應(yīng)裝置中對300mm晶圓（無圖形晶圓及有圖形晶圓）進行相應(yīng)的刻蝕。表1為STI刻蝕參數(shù)。
刻蝕無圖形Si晶圓時，STI刻蝕是由基于CF4的短路擊穿步驟刻穿在Si表面形成的自然氧化物。在有圖形晶圓的情況下，堆疊由8nm SiO2和上面的90nm Si3N4組成。用帶有底部抗反射涂層（BARC）的193nm波長光刻膠制作圖形。有圖形晶圓的刻蝕步驟如下：刻蝕BARC、刻蝕Si3N4和SiO2（一步完成）、剝離光刻膠（在同一刻蝕室內(nèi)）、穿透刻蝕（除去O2基剝離過程中形成的氧化物）以及STI刻蝕。可見，STI刻蝕是在沒有光刻膠時以Si3N4作為掩膜進行的。為了檢查溫度對刻蝕工藝的影響，改變晶圓襯底的溫度（此溫度可通過菜單設(shè)置控制）和上石英窗口的溫度（此溫度會因腔室中激發(fā)等離子體而上升）。上石英窗口溫度用熱電偶監(jiān)測。
刻蝕后，晶圓的性質(zhì)用多種測量方法測定。有圖形晶圓的刻蝕情況用掃描電子顯微鏡（SEM）檢查。無圖形Si晶圓用橢圓偏振光譜儀測量刻蝕終止層的厚度，用飛行時間二次質(zhì)譜儀（TOFSIMS）測量化學組分和被刻蝕表面的形狀。晶圓溫度用KLA-Tencor的敏感晶圓測量，它能記錄刻蝕過程中晶圓表面溫度的變化情況。
結(jié)果和討論
圖1是觀測到的刻蝕終止現(xiàn)象?？涛g終止在開放區(qū)域的晶圓中央完成，遠離中央出現(xiàn)類似針狀的結(jié)構(gòu)（部分刻蝕終止或微掩蔽），在晶圓邊緣處沒有觀測到刻蝕終止。
當刻蝕一批23片晶圓時，這一現(xiàn)象在最后的10-15片晶圓上觀察到。分析刻蝕設(shè)備數(shù)據(jù)記錄后發(fā)現(xiàn)，隨晶圓數(shù)目變化的唯一參數(shù)是上石英窗口的溫度。如圖2所示，窗口溫度與出現(xiàn)刻蝕終止之間可見明顯的關(guān)聯(lián)。
還發(fā)現(xiàn)刻蝕終止對等離子體中的氧濃度極其敏感。氧濃度為10sccm時，任何窗口溫度下都觀察不到刻蝕終止，而氧濃度為15sccm時，任何窗口溫度下都可觀察到刻蝕終止?？傊?，上窗口溫度以某種方式影響有氧存在時的機理。
解釋此影響曾有幾種假設(shè)：熱量從上窗口向晶圓傳遞；等離子組分的改變（特別是氧濃度的增加）是由于熱窗口上的復合減少；某些低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物的淀積平衡改變（在熱窗口上淀積少，較冷的晶圓上淀積多）。
熱量從上石英窗口向晶圓傳遞
熱傳遞之后的推理如下。當上窗口加熱時，熱量向晶圓表面?zhèn)鬟f。較熱的表面在有氧存在時氧化較快，氧化/刻蝕的平衡向氧化偏移。但是，用KLA-Tencor的傳感晶圓測量晶圓表面溫度時排除了晶圓加熱：當窗口從50℃加熱到100℃時，觀察不到晶圓溫度的任何變化。另一個否定熱傳遞的事實是，當襯底溫度從60℃升高到70℃時，觀測到的刻蝕終止實際上是減少的。
在加熱的石英窗口上O原子復合減少
復合減少的推理如下。溫度增加使氧原子解吸，從而減少了表面復合的幾率，并增加了等離子體內(nèi)的氧原子濃度，這就促進Si表面氧化引起刻蝕終止。但在我們的溫度范圍內(nèi)，復合幾率并不隨溫度有多少改變，甚至溫度高達1300℃時僅稍有增加。進而電子碰撞率（由自激勵電子等離子共振譜儀SEERS測定）也顯示隨窗口溫度的增加改變有限，這可用中性加熱解釋，化學組分沒有改變。
低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物淀積平衡的變化
淀積平衡的變化似乎是觀測到的刻蝕終止現(xiàn)象最貌似合理的解釋。在用Cl2/O2化學品刻蝕Si過程中，可能會形成某些低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物。這些產(chǎn)物再淀積在腔壁、上窗口和晶圓上。但是，晶圓上再淀積產(chǎn)物數(shù)量少時，它們會被等離子刻蝕掉。當上窗口溫度增加時，淀積平衡就因晶圓比窗口溫度低而發(fā)生偏移，低揮發(fā)產(chǎn)物更傾向淀積在晶圓上。到達某一點，淀積超過刻蝕，就發(fā)生刻蝕終止。
在刻蝕終止區(qū)域的所有結(jié)構(gòu)上都觀察到厚25nm的薄膜，見圖3。比較同一晶圓的不同區(qū)域（刻蝕終止-左面、刻蝕完成-右面）可以發(fā)現(xiàn)，薄膜不僅淀積在頂部Si表面，而且淀積在Si3N4上。在各結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上亦觀測到此薄膜。
淀積層大多是含百分之幾Cl的SiO2一類。像SiO2一樣，它很容易用HF水溶液去除，TOFSIMS顯示存在Si、O和Cl（圖4）。薄膜/Si界面處的Cl濃度增加，這一現(xiàn)象解釋如下。當Si用氯氣刻蝕時，在表面上形成富Cl層。薄膜淀積在Si表面頂部時，富Cl層埋入淀積薄膜下面。
用橢圓偏振光譜儀進行的薄膜厚度測量結(jié)果也支持上述再淀積理論?？涛g體Si時，薄膜厚度隨刻蝕時間線性增長（圖5），一個典型的淀積行為。Si源有限（在SiO2上淀積200nmSi）時，無Si留下產(chǎn)生刻蝕產(chǎn)物，薄膜生長終止。O2濃度過高（50sccm）時，刻蝕終止幾乎發(fā)生在整個晶圓上，且造成刻蝕產(chǎn)物的可用Si數(shù)量亦是有限的。隨晶圓溫度增加而刻蝕終止減少也支持淀積理論--在較熱的表面淀積比較不明顯。
結(jié)論
對于刻蝕終止隨上石英窗口溫度增加而出現(xiàn)的最可能解釋是，一些低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物（可能是SiOxCly一類物質(zhì)）淀積平衡的改變。窗口溫度與晶圓溫度（60℃）相當時，低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物淀積在晶圓和窗口上。一旦窗口溫度上升高于85℃，低揮發(fā)刻蝕產(chǎn)物優(yōu)先淀積在此時溫度低于窗口的晶圓上，引起刻蝕終止。 [!--empirenews.page--]
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