晶圆表面等离子蚀刻均匀性控制技术的进步

Stephen Hwang，Keren Kanarik

泛林集团

晶圆表面等离子蚀刻均匀性控制技术的进步

Stephen Hwang，Keren Kanarik

泛林集团

随着半导体的特征尺寸越来越小，其设计的复杂度日益增加。这就要求蚀刻工艺必须在更高粒度化层面具备复杂的调节能力，以满足更严格的均匀性要求。在工艺均匀性管理工作链中，晶圆表面等离子蚀刻的控制是一大关键因素，这些均匀性管理工作包括减少管芯间、晶圆间以及蚀刻腔间的差异性。正如本文讨论的，在晶圆表面的许多“微区”内独立调节关键参数的能力不仅能够控制各个蚀刻工艺的径向和非径向图形分布，同时能够从晶圆中心位置到边缘位置进行主动调节。

一般情况下，晶圆表面允许的最大工艺偏差应小于整体允许偏差的三分之一。例如，在14 nm节点设备上，栅极特征尺寸 (CD)的偏差限制为2.4 nm，则晶圆表面的工艺变异性必须小于1 nm。在5 nm节点上，晶圆表面的差异性需要小于0.5 nm。减少等离子蚀刻变异性面临的几个难题包括管理化学和电气不连续性，以及开发能够对工艺参数进行独立控制的调节方法。

十多年前，随着晶圆尺寸从200 mm过渡到300 mm，使实现晶圆表面差异性目标变得越来越具有挑战性，但也越来越重要。由于单个晶圆上芯片数量不断增加，且从晶圆中心到边缘的变异性风险也越来越大，工艺设计师需要设计出高度粒度化的工艺控制方法。

起初，晶圆级均匀性的创新主要侧重于对晶圆表面等离子化学物的调节，例如从多个位置注入反应气体，以及将调节气体添加到指定区域。控制晶圆边缘和中心的气体比率标志着对影响差异性的化学物及对流输送因素的控制向前迈出了重要一步。由于这些工艺控制方法演变出包括晶圆外围在内的多个注入位置，化学物控制的空间分辨率也得到了极大的提高。

开发独立可调节的温度控制器是另一个关键领域，需要在固定晶圆的静电卡盘上增加不同的加热和冷却区。在这方面，随着时间的推移，温度控制区的数量不断增加，从2002年的一个或两个到如今超过100个位置，实现了更高的粒度化以校正潜在的变异性。通过在单个蚀刻室使用超过100个局部加热器，如今最先进的温度控制方法可以实现更高的空间分辨率以及在整个晶圆上独立管理多个径向和/或非径向区域的能力。

这种独立控制晶圆表面众多微区多个参数的能力，不仅提高了晶圆的均匀性，还对整个工艺流程中蚀刻室的调节颇有益处。由于工艺腔体变得日益复杂，控制等离子蚀刻的能力正在扩展，延伸到对腔体内更多难以控制步骤的上下游不均匀性的补偿。例如，如果上游某个步骤是中心位置速度快，则蚀刻室可以通过加快边缘速度作为补偿方法。

展望未来，晶圆边缘附近(多达10%的芯片位于边缘外侧10毫米左右的区域)的均匀性控制会越来越受到关注。在该区域，电气不连续性尤其会扭曲等离子体，并影响良品率。为了解决这个问题，目前正在开发创新的调节技术。

通过这些等离子蚀刻调节能力的共同作用，能够更好地控制晶圆表面及外侧边缘的工艺均匀性，降低差异性，从而提高设备性能和良品率。

Stephen Hwang是泛林集团的技术总监。Hwang于2000年加入公司，并在导体、电介质和深硅和硅通孔(TSV)部门相继担任过多个技术和领导职位。Hwang获得美国圣母大学化学工程博士学位。

Keren J.Kanarik是泛林集团的高级技术总监。Kanarik于2002年作为蚀刻工艺工程师加入泛林，在她的职业生涯中，曾在工程、蚀刻建模和市场营销领域担任技术职位。她是一位有名的作者，著有50篇技术文章，拥有近20项专利，这些成就无不体现出她对蚀刻和沉积技术的浓厚兴趣。Kanarik获得加州大学伯克利分校物理化学博士学位。