文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了什么是溝槽隔離蝕刻。

隨著集成電路尺寸縮小至亞微米技術(shù)節(jié)點(diǎn)，原始的本征氧化隔離技術(shù)（LocOS）已不適應(yīng)?！案綦x”是指利用介質(zhì)材料或反向PN結(jié)隔離集成電路的有源區(qū)器件，消除寄生效應(yīng)、降低工作電容。LocOS技術(shù)存在不平坦表面和“鳥嘴”現(xiàn)象，影響器件性能。

淺溝槽隔離技術(shù)是一種平坦、無(wú)“鳥嘴”現(xiàn)象的新型隔離工藝，成為亞微米、深亞微米、納米工藝節(jié)點(diǎn)中不可或缺的隔離技術(shù)。

本文從以下幾個(gè)角度介紹淺溝槽隔離技術(shù)：

膜層結(jié)構(gòu)對(duì)淺溝槽隔離蝕刻的影響

淺溝槽隔離蝕刻參數(shù)影響

鰭式場(chǎng)效應(yīng)中鰭的自對(duì)準(zhǔn)雙圖形蝕刻

淺溝槽隔離蝕刻中的負(fù)載調(diào)節(jié)

膜層結(jié)構(gòu)對(duì)淺溝槽隔離蝕刻的影響

在集成電路工藝中，膜層結(jié)構(gòu)的選擇對(duì)于淺溝槽隔離蝕刻的精準(zhǔn)度至關(guān)重要。隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，傳統(tǒng)的光阻或光阻/底部抗反射層結(jié)構(gòu)已無(wú)法滿足圖形轉(zhuǎn)移的需求。因此，三明治結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用以解決這一問(wèn)題。

三明治結(jié)構(gòu)由三層膜組成，旨在通過(guò)各層之間的蝕刻選擇性實(shí)現(xiàn)圖形的精確轉(zhuǎn)移。這種結(jié)構(gòu)巧妙地利用了不同膜層對(duì)蝕刻氣體的抗蝕性差異，從而實(shí)現(xiàn)了從薄光阻到具有足夠厚度且抗蝕刻能力強(qiáng)的下層膜層的圖形轉(zhuǎn)移。

兩種主要三明治結(jié)構(gòu)

無(wú)定型碳三明治結(jié)構(gòu)

組成：最上層為光阻，中間層為介質(zhì)抗反射層（如氮氧化硅或碳氧化硅），下層為無(wú)定型碳。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)定型碳具有耐高溫、吸光性能好、機(jī)械性能優(yōu)良、耐蝕刻等優(yōu)點(diǎn)。此外，無(wú)定型碳對(duì)介質(zhì)抗反射層的蝕刻選擇比極高，使得較薄的介質(zhì)抗反射層足以作為掩膜完成圖形轉(zhuǎn)移。

圖形傳遞性能：該結(jié)構(gòu)定義出的線條末端圖形形狀更接近于線條中央，圖形定義失真最少。

成本：各層均采用化學(xué)氣相沉積方法形成，成本較高。

2.含硅底部抗反射層三明治結(jié)構(gòu)

組成：最上層為光阻，中間層為采用旋涂工藝的含硅底部抗反射層（SiBARC），下層為同樣采用旋涂工藝的有機(jī)膜層。

優(yōu)點(diǎn)：所有膜層都可以在光刻track機(jī)臺(tái)旋涂完成，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖形傳遞性能：相對(duì)于無(wú)定型碳三明治結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可能造成線條末端圖形尖銳，圖形定義明顯失真。此外，在蝕刻下層時(shí)，SiBARC中間層可能會(huì)有一定程度的損傷，無(wú)法完整地保護(hù)下層。

成本：旋涂工藝相對(duì)化學(xué)氣相沉積成本較低。

綜上，無(wú)定型碳三明治結(jié)構(gòu)在圖形傳遞精度方面優(yōu)于含硅底部抗反射層三明治結(jié)構(gòu)。然而，無(wú)定型碳三明治結(jié)構(gòu)的成本較高。因此，在選擇膜層結(jié)構(gòu)時(shí)，需要綜合考慮精度、成本和工藝復(fù)雜度等因素。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)可能會(huì)有更多創(chuàng)新的膜層結(jié)構(gòu)被提出，以滿足集成電路制造中對(duì)圖形轉(zhuǎn)移精度的更高要求。

淺溝槽隔離蝕刻參數(shù)影響

在集成電路制造中，淺溝槽隔離蝕刻是一個(gè)關(guān)鍵步驟，其參數(shù)的選擇對(duì)最終性能有著重要影響。

蝕刻示意圖與結(jié)構(gòu)

上圖展示了PR/DARC/AC三明治結(jié)構(gòu)，以氧化硅/氮化硅為硬掩膜的淺溝槽隔離蝕刻示意圖。該結(jié)構(gòu)通過(guò)多層膜的組合，實(shí)現(xiàn)了圖形的精確轉(zhuǎn)移和蝕刻。

側(cè)壁角度負(fù)載效應(yīng)

在蝕刻過(guò)程中，圖形密集區(qū)和稀疏區(qū)的淺溝槽具有不同的開口尺寸和深寬比。

為了保證后續(xù)氧化硅介質(zhì)填充時(shí)不產(chǎn)生空洞，需要嚴(yán)格控制側(cè)壁角度。側(cè)壁角度的負(fù)載效應(yīng)，即密集圖形和稀疏圖形在深度和側(cè)壁角度等物理參數(shù)上的差異，是評(píng)估蝕刻性能的重要指標(biāo)。

蝕刻參數(shù)及其影響

氟基氣體、溴化氫(HBr)、氮?dú)?N2)的氣體組合是經(jīng)典的蝕刻工藝。蝕刻參數(shù)對(duì)硅蝕刻過(guò)程中密集圖形和稀疏圖形負(fù)載效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生影響。這些參數(shù)包括含氟氣體流量(F)、氮?dú)饬髁?N2)、HBr氣體流量(Br)、腔體壓力(Pre.)、等離子體源功率(Source)和偏置電壓(Bias)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(DOE)的分析結(jié)果表明：含氟氣體流量及偏置電壓與淺溝槽側(cè)壁角度的負(fù)載效應(yīng)正相關(guān)。增加含氟氣體和偏置電壓會(huì)惡化負(fù)載效應(yīng)。氮?dú)鈺?huì)與側(cè)壁的體硅發(fā)生反應(yīng)，形成氮化硅，增加對(duì)側(cè)壁的保護(hù)，但也會(huì)相應(yīng)惡化側(cè)壁角度負(fù)載效應(yīng)。增加偏置電壓會(huì)增強(qiáng)離子的方向性，導(dǎo)致大量離子轟擊在掩膜上或溝槽底部，無(wú)法作用于側(cè)壁蝕刻，進(jìn)一步惡化側(cè)壁角度的負(fù)載效應(yīng)。

負(fù)載效應(yīng)的來(lái)源與機(jī)制

上圖描述了負(fù)載效應(yīng)的來(lái)源。從原理上講，它是由各向同性蝕刻、各向異性蝕刻、保護(hù)性聚合物附著和輸送綜合影響的結(jié)果。在圖形密集區(qū)，側(cè)壁的比例遠(yuǎn)大于圖形稀疏區(qū)，因此側(cè)壁角度對(duì)聚合物的改變非常敏感。

在密集圖形區(qū)，如果各向同性蝕刻或副產(chǎn)物保護(hù)發(fā)生變化，較多地側(cè)壁面積可以分擔(dān)并弱化其側(cè)壁角度的影響。

在稀疏圖形區(qū)，由于側(cè)壁面積少，側(cè)壁角度對(duì)聚合物的改變非常敏感，導(dǎo)致負(fù)載效應(yīng)明顯。

交互作用與影響因素

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓力和偏置電壓的交互作用極大影響側(cè)壁角度負(fù)載效應(yīng)，而壓力和偏置功率單因素本身的影響相對(duì)較弱。氮?dú)馀cHBr氣體流量的比值也顯示出相對(duì)單因素更強(qiáng)的交互作用。

綜上所述，淺溝槽側(cè)壁角度負(fù)載是由眾多蝕刻參數(shù)共同作用的結(jié)果。其中，氮?dú)獾牧髁繉儆谌跤绊懸蛩?，偏置電壓、含氟氣體及氮?dú)?HBr等因素屬于中等影響因素，而偏置電壓與壓力的交互作用屬于強(qiáng)影響因素。

鰭式場(chǎng)效應(yīng)中鰭的自對(duì)準(zhǔn)雙圖形蝕刻

在集成電路技術(shù)發(fā)展至14nm鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)的193nm光刻機(jī)已無(wú)法滿足更小尺寸圖形的形成需求。因此，自對(duì)準(zhǔn)雙圖形（SelfalignedDoublePatterning,SADP）工藝應(yīng)運(yùn)而生，以實(shí)現(xiàn)更小尺寸周期圖形的精確制造。

自對(duì)準(zhǔn)雙圖形工藝概述

自對(duì)準(zhǔn)雙圖形工藝主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

芯軸（Mandrel）圖形化：首先，在襯底上形成具有特定圖案的芯軸材料層，并通過(guò)光刻和蝕刻工藝將其圖形化。

原子層側(cè)墻（Spacer）介質(zhì)沉積：隨后，在芯軸圖案的側(cè)壁上沉積一層薄薄的原子層側(cè)墻介質(zhì)，通常使用氮化硅或氧化硅等材料。

側(cè)墻蝕刻及芯軸去除：通過(guò)精確的蝕刻工藝去除芯軸材料，同時(shí)保留側(cè)墻介質(zhì)，形成最終的雙圖形結(jié)構(gòu)。

奇偶效應(yīng)及其挑戰(zhàn)

自對(duì)準(zhǔn)雙圖形工藝中，一個(gè)主要挑戰(zhàn)是奇偶效應(yīng)（PitchWalking）的引入。奇偶效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致最終圖形的失真和線條應(yīng)力的不均勻，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生線條坍塌現(xiàn)象。

奇偶效應(yīng)的來(lái)源主要包括芯軸圖形化、側(cè)墻蝕刻和芯軸去除等步驟。

芯軸圖形化的影響

芯軸蝕刻是自對(duì)準(zhǔn)雙圖形工藝中的關(guān)鍵步驟之一。芯軸的特征尺寸、側(cè)面形貌、線條粗糙度以及下層襯底的凹進(jìn)都會(huì)對(duì)后續(xù)工藝產(chǎn)生重要影響。選擇合適的芯軸材料（如具有高選擇比、低線條粗糙度的材料）對(duì)于減少奇偶效應(yīng)至關(guān)重要。此外，芯軸尺寸需要非常精確，以避免在后續(xù)工藝中因尺寸差異而引發(fā)奇偶效應(yīng)。

側(cè)墻蝕刻的挑戰(zhàn)

在側(cè)墻蝕刻過(guò)程中，理想的狀況是留下比較方正的頂部，以保證側(cè)墻線條的應(yīng)力均勻。然而，由于各向同性沉積和離子轟擊效應(yīng)的影響，實(shí)際工藝中往往會(huì)在肩部形成圓角并造成過(guò)度的側(cè)墻損失。

這種損失會(huì)加劇奇偶效應(yīng)，并在后續(xù)工藝中引發(fā)線條坍塌等缺陷。因此，需要通過(guò)工藝調(diào)整來(lái)優(yōu)化肩部側(cè)面輪廓，減少側(cè)墻損失。

芯軸去除的注意事項(xiàng)

芯軸去除過(guò)程中，對(duì)原子層沉積隔離層和蝕刻停止層的選擇比至關(guān)重要。如果選擇比不夠，會(huì)導(dǎo)致隔離層兩側(cè)的特征尺寸損失不一致，從而引發(fā)奇偶效應(yīng)。

此外，如果芯軸對(duì)蝕刻停止層的選擇比不足，也會(huì)暴露并損失蝕刻停止層，進(jìn)一步加劇奇偶效應(yīng)。因此，需要選擇具有高選擇比的芯軸材料和蝕刻工藝，以確保后續(xù)工藝的順利進(jìn)行。

材料選擇與蝕刻參數(shù)優(yōu)化

在自對(duì)準(zhǔn)雙圖形工藝中，芯軸、原子層側(cè)墻和蝕刻停止層的材料選擇必須能夠?qū)崿F(xiàn)蝕刻過(guò)程中兩兩之間的選擇比。常見(jiàn)的搭配包括無(wú)定型碳作芯軸、氮化硅作原子沉積層、氧化硅作蝕刻停止層。對(duì)于新型的芯軸材料（如無(wú)定型硅），則需要特別考慮蝕刻參數(shù)和清洗工藝，以避免側(cè)墻關(guān)鍵尺寸的缺失和最終鰭部尺寸的缺失。

鰭部切斷工藝

在自對(duì)準(zhǔn)雙圖形工藝中，形成的線條往往成雙出現(xiàn)并圍繞芯軸形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。然而，在制造鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）時(shí)，通常只需要單個(gè)鰭部溝道。

因此，需要將冗余的鰭部去除，并將鰭部線條尾部的連接部分切斷。這一步驟稱為鰭部切斷工藝，根據(jù)其在工藝流程中的位置，可分為前切（CutFirst）和后切（CutLast）兩種。

前切工藝：前切工藝在側(cè)墻蝕刻后進(jìn)行，鰭部蝕刻之前。在此過(guò)程中，需要去除不需要的側(cè)墻。由于側(cè)墻與下層硬掩膜通常使用不同的材質(zhì)，因此前切工藝可以通過(guò)控制蝕刻選擇比，確保蝕刻停止在下層的硬掩膜上。這樣，切斷工藝的硬掩膜損耗和側(cè)墻蝕刻造成的硬掩膜損耗之間的差異會(huì)非常小。

然而，前切工藝也存在一些挑戰(zhàn)。它可能會(huì)影響后續(xù)鰭部蝕刻中的形貌負(fù)載效應(yīng)。傳統(tǒng)的等離子蝕刻在稀疏區(qū)和密集區(qū)的鰭部蝕刻角度會(huì)存在差異，導(dǎo)致稀疏區(qū)和密集區(qū)的鰭部尺寸不一致。在FinFET中，溝道寬度由鰭部頂部尺寸和側(cè)面角度共同定義。因此，這種物理性能的差異可能會(huì)對(duì)器件性能造成影響。

后切工藝：與前切工藝不同，后切工藝在鰭部蝕刻后進(jìn)行。通過(guò)蝕刻去除不需要的鰭部溝道。在這種工藝中，由于鰭部已經(jīng)經(jīng)過(guò)蝕刻形成，因此鰭部角度負(fù)載效應(yīng)會(huì)大大降低。這使得各種器件性能得到優(yōu)化。

在鰭部去除過(guò)程中，由于填充材料和鰭部溝道蝕刻選擇比的影響，可能會(huì)導(dǎo)致溝槽底部不平整。然而，這基本上不會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生顯著影響。因此，業(yè)界現(xiàn)有的FinFET產(chǎn)品多數(shù)選擇后切工藝。

工藝辨別與性能優(yōu)化

為了辨別前切和后切工藝，可以觀察最外側(cè)一個(gè)鰭部與中間鰭部的角度和特征尺寸的差異。前切工藝可能會(huì)導(dǎo)致這些差異更加明顯，因?yàn)榍扒泄に囋趥?cè)墻蝕刻后就進(jìn)行了切斷，而側(cè)墻蝕刻本身可能會(huì)對(duì)鰭部的形狀和尺寸產(chǎn)生影響。

相比之下，后切工藝由于是在鰭部蝕刻后進(jìn)行切斷，因此能夠更好地保持鰭部的一致性和均勻性。這有助于優(yōu)化器件性能，提高集成電路的可靠性和穩(wěn)定性。

淺溝槽隔離蝕刻中的負(fù)載調(diào)節(jié)

淺溝槽隔離（ShallowTrenchIsolation,STI）蝕刻工藝是半導(dǎo)體制造中的關(guān)鍵步驟，對(duì)器件性能有著重要影響。由于STI層中的物理參數(shù)（如關(guān)鍵尺寸、溝槽深度、剖面傾角）直接關(guān)聯(lián)到有源區(qū)器件的性能，因此STI蝕刻工藝中的負(fù)載調(diào)節(jié)成為了核心挑戰(zhàn)，特別是在處理特殊圖形時(shí)，器件的負(fù)載控制顯得尤為重要。

關(guān)鍵尺寸調(diào)節(jié)

在存儲(chǔ)單元如SRAM中，NMOS和PMOS的匹配問(wèn)題一直備受關(guān)注，這主要源于硅材料中電子和空穴的電學(xué)特性差異。由于遷移率的不同，NMOS和PMOS對(duì)溝道尺寸寬度的需求也各異。因此，精確定義NMOS和PMOS的溝道尺寸寬度對(duì)于器件性能至關(guān)重要。

然而，由于光學(xué)局限，光刻及光學(xué)臨近效應(yīng)修正（OpticalProximityCorrection,OPC）可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)曝光后的關(guān)鍵尺寸完全到位。此時(shí)，蝕刻工藝就承擔(dān)了一部分關(guān)鍵尺寸調(diào)節(jié)的任務(wù)。STI蝕刻后的關(guān)鍵尺寸測(cè)量通常涵蓋存儲(chǔ)的SRAM區(qū)域（如PullUp、PullDown、PassingGate）和外圍邏輯電路區(qū)域的幾種典型圖形（如密集線條、稀疏線條、稀疏溝槽）。

溝槽深度負(fù)載調(diào)節(jié)

溝槽深度的負(fù)載不僅與蝕刻條件相關(guān)，還與有源區(qū)的關(guān)鍵尺寸緊密相關(guān)。在STI蝕刻過(guò)程中，溝槽深度負(fù)載往往取決于溝槽寬度的大小。在傳統(tǒng)蝕刻條件下，溝槽越寬，深度越深。對(duì)于孤立的有源區(qū)，其溝槽深度通常會(huì)大于密集區(qū)有源區(qū)的深度。

為了調(diào)節(jié)溝槽深度負(fù)載，可以采取以下幾種方法：

蝕刻氣體的調(diào)節(jié)：通過(guò)調(diào)整蝕刻氣體的種類和比例，可以有效控制溝槽深度的負(fù)載。例如，使用基于三氟化氮（NF?）/HBr或氯氣（Cl?）的蝕刻氣體組合，可以產(chǎn)生較小的密集區(qū)/孤立區(qū)深度負(fù)載。

蝕刻參數(shù)的調(diào)節(jié)：調(diào)整蝕刻過(guò)程中的參數(shù)，如TCP功率、腔室壓力、偏置電壓等，也可以對(duì)溝槽深度負(fù)載產(chǎn)生影響。例如，減少TCP功率或腔室壓力，或增加偏置電壓，均有助于減少密集區(qū)和稀疏區(qū)的深度負(fù)載。

考慮線條尺寸的影響：隨著線條尺寸的縮小，密集區(qū)和孤立區(qū)的深度負(fù)載通常會(huì)降低。這是由于線條尺寸縮小導(dǎo)致局部透射率增加，使得密集區(qū)逐步向稀疏區(qū)轉(zhuǎn)變。

FinFET中的STI蝕刻負(fù)載調(diào)節(jié)

在FinFET制造中，由于曝光波長(zhǎng)的光學(xué)極限，溝道形成通常采用自對(duì)準(zhǔn)雙圖形工藝。這一工藝過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生密集區(qū)和稀疏區(qū)的負(fù)載差異。FinFET的溝道等效寬度不僅由特征尺寸決定，還與鰭部角度和高度相關(guān)。因此，減少鰭部蝕刻工藝中的負(fù)載對(duì)于優(yōu)化器件性能至關(guān)重要。

在自對(duì)準(zhǔn)雙圖形工藝中，硬掩膜打開過(guò)程會(huì)受到局部環(huán)境的影響，導(dǎo)致側(cè)面輪廓和底部特征尺寸的差異。

這些差異直接決定了鰭部蝕刻過(guò)程中的溝道頂部特征尺寸。為了調(diào)節(jié)這種負(fù)載，可以利用切斷工藝在鰭部形成中的安插位置進(jìn)行調(diào)整。