藁城地图二氧化硅湿法刻蚀的片内及片间均匀性的改善-集成电路应用杂志

2016年04月08日 | tags | views 24
二氧化硅湿法刻蚀的片内及片间均匀性的改善-集成电路应用杂志

二氧化硅湿法刻蚀的片内及片间均匀性的改善
张凌越,王雷
摘要:随着硅片尺寸的加大和工艺尺寸的不断缩小,硅片上薄膜的均匀性对产品的良率影响越来越大, 湿法蚀刻均匀性也逐渐成为影响产品良率的一个关键参数。通过对化学清洗槽中刻蚀剂流速的优化,化学清洗槽之后水槽的去离子水水流量优化,去离子水水管设计优化都可显著改善二氧化硅薄膜湿法刻蚀的片内及片间刻蚀均匀性。二氧化硅薄膜(SiO2)湿法刻蚀速率片内均匀性与化学槽中刻蚀剂流速呈现抛物线关系,片间均匀性随化学槽中刻蚀剂流速增加而减少。当刻蚀剂流速为零时可获得最优的片内及片间刻蚀均匀性。同时,化学清洗槽之后水槽的去离子水的流量和水管设计优化也能改变二氧化硅薄膜湿法刻蚀的片内及片间刻蚀均匀性。
关键词:集成电路制造;湿法刻蚀;SiO2;BOE;均匀性;流速;水流量
中图分类号:TN405 文章编号:1674-2583(2018)07-0042-03
DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2018.07.011
中文引用格式:张凌越,王雷.二氧化硅湿法刻蚀的片内及片间均匀性的改善[J].集成电路应用, 2018, 35(07): 42-44.
Study on SiO2 Wet Etch Rate within Wafer and Wafer to Wafer Uniformity Improvement
ZHANG Lingyue, WANG Lei
Abstract: With the wafer size increased and device Critical Dimension continue shrink, the uniformity of film on wafer became the key effect for product CP (Chip Probe), and wet etch uniformity go to key parameter of production CP too. In this paper蔡加赞, we study to improve SiO2 wet etch rate within wafer uniformity and wafer to wafer uniformity by optimized the chemical flow speed , post chemical over flow clean step DI water flow rate and the DI water pipe design. The relation between SiO2 wet etch rate within wafer uniformity and chemical flow speed liked parabola, and wafer to wafer uniformity had positive correlation with chemical flow speed. We can get the best SiO2 wet etch rate uniformity when chemical flow speed is Zero. Post chemical over flow clean step DI water flow rate and the DI water pipe design are key factor to SiO2 wet etch rate uniformity too.
Key words: IC manufacturing, wet etch, SiO2 , BOE, uniformity, flow speed, flow rate
1 引言
湿法刻蚀是一种传统的刻蚀方法。在槽式湿法刻蚀过程中,硅片被浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中,由此使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去[1]碧血盐枭。由于湿法刻蚀具有高选择比,对薄膜或硅片表面无损伤,生产效率高,生产成本低等优点[2],湿法刻蚀依然是半导体器件制造过程中常见的工艺,例如使用氢氟酸或 BOE 去除二氧化硅薄膜,使用热磷酸刻蚀氮化硅膜等。
随着硅片尺寸的加大和特征工艺尺寸的不断缩小,硅片上薄膜的均匀性对产品的良率影响越来越大, 湿法蚀刻均匀性也逐渐成为影响产品良率的一个关键参数庶女难为。通过对清洗槽中化学药液流速的优化、化学清洗槽之后水槽去离子水流量和水管设计优化可显著改善二氧化硅薄膜湿法刻蚀速率片内及片间刻蚀均匀性。
2 实验
本实验使用 200 mm<100> CZ P 型掺杂无图案试验硅片。试验硅片先进行预清洗,再在 TEL? 8SE 常压炉管中 900℃ 热氧化生长 1 000 ? 二氧化硅薄膜。生长好的二氧化硅薄膜的实验硅片在 TOHO? RTX 传统槽式刻蚀机中用 100:1 BOE(Buffered OX Etch)溶剂进行湿法刻蚀。二氧化硅薄膜膜厚使用 Rudolph? S200 测量。
3 结果和讨论
3.1 刻蚀剂流速的影响
传统槽式二氧化硅薄膜的湿法刻蚀是将硅片竖直浸泡在循环流动的刻蚀剂例如 HF、BOE 中,以纯化学反应作用的方法把经显影后光刻胶图形中下层二氧化硅薄膜的裸露部分去掉或将整层薄膜去除。SiO2 湿法刻蚀反应分为三个主要步骤:刻蚀剂移动到硅片表面;与暴露的 SiO2 膜发生化学反应生成可溶解副产物;从硅片表面移去反应生成物。改变刻蚀剂 BOE 在槽中的循环流速会影响 BOE 到达硅片表面的速率,并且影响生成物移去的速率,从而影响BOE对硅片表面 SiO2 的刻蚀速率,片内及片间刻蚀均匀性。图 1 显示当槽内 BOE 流速与 SiO2 的刻蚀片内均匀性呈现抛物线关系,与刻蚀片间均匀性为线性正相关。当 BOE 流速为零时,可获得最优的片内及片间刻蚀均匀性。
硅片表面 SiO2 刻蚀速率与 BOE 在硅片表面的边界层厚度相关。当 BOE 在硅片上边界层薄时反应物扩散到硅片表面快, 生成物扩散离开硅片表面也快, 硅片表面化学反应速度快。反之,当 BOE 在硅片上边界层厚时反应物扩散到硅片表面慢, 生成物扩散离开硅片表面也慢,硅片表面化学反应速度慢。即,BOE 刻蚀剂边界层厚刻蚀速率低,BOE 刻蚀剂边界层薄刻蚀速率高。
如图 2 所示,BOE 在硅片上边界层厚度和 BOE 刻蚀剂的循环流速相关。其中,W 示出了刻蚀中的硅片。
具体地说,BOE 在硅片表面边界层厚度和 BOE 刻蚀剂的循环流速相关,并且可通过式(1)表示。
(1)
其中,ν表示 BOE 刻蚀剂的液体的动态黏滞系数ν=1.003E-6 m2 /s ( DIW 25℃ ),U 表示 BOE 刻蚀剂流速,x 表示硅片上的位置。丁秋星
BOE 刻蚀剂的流速快,BOE 刻蚀剂边界层薄;BOE 刻蚀剂的流速慢,BOE 刻蚀剂边界层厚。
如图 3 所示,当 BOE 刻蚀剂在槽中循环流动时汤院温泉, BOE 刻蚀剂在自身重力的作用和液体的阻力作用下, 槽底部(硅片底部)流速快, 槽顶部(硅片顶部)流速慢, 相应的硅片底部刻蚀速率快木口亚矢, 硅片顶部刻蚀速率慢, 所以刻蚀速率的片内均匀性差。
当降低 BOE 刻蚀剂的循环流速时, BOE 边界层厚度扩大而且硅片底部和顶部 BOE 边界层厚度差异变小,对应刻蚀速率差异变小杨建志 ,所以刻蚀速率片内均匀性改善两个女匪王 。但当 BOE 刻蚀剂的循环流速大于临界值后,BOE 的动能抵消部分液体自身重力和液体的阻力作用,减小槽底部(硅片底部)和槽顶部(硅片顶部)流速差异,刻蚀速率片内均匀性也有所改善鳄鱼恤官网。停止 BOE 的循环流速(循环流速为 0)时没有 BOE 刻蚀剂液体流动的影响,硅片顶部和底部 BOE 边界层厚度一致,因此获得最好的刻蚀速率片内均匀性。
降低或停止 BOE 刻蚀剂的循环改善刻蚀速率的片间均匀性的主要原因如下:BOE 刻蚀剂在槽的循环流动时,硅片表面 SiO2 刻蚀速率受到 BOE 在化学槽的不同部位流出速率不均匀影响;所以,如果降低或停止 BOE 的循环,可使得 BOE 为 缓速或静止状态时, 硅片表面 SiO2 刻蚀速率少受到或不受到 BOE 在槽中的不同部位流出速率不均匀影响,所以 SiO2 刻蚀速率片间均匀性改善。
3.2 水槽去离子水流量优化和水管设计优化
在 SiO2 湿法蚀刻中,硅片在 BOE 槽中完成湿法刻蚀后, 机械手臂将硅片从 BOE 槽中取出, BOE 残留在硅片表面并继续刻蚀硅片表面的二氧化硅膜。由此,硅片放入水槽清洗时 BOE 对 SiO2 的刻蚀仍在进行,去离子水清洗行为也影响 SiO2 刻蚀速率片内和片间均匀性。图 4 示出了 BOE 槽之后水槽的去离子水管的结构示意图。去离子水管在水槽底部两侧向水槽中的硅片喷射去离子水进行溢流式清洗。
硅片进入水槽后 , 去离子水管喷出去离子水冲洗硅片表面残留 BOE。图 5 所示,SiO2 刻蚀速率片内均匀性随去离子水流量加大减小,但片间均匀性却随去离子水流量加大增大。去离子水流量大时, 硅片表面残留化学药液被快速冲洗干净,表面的二氧化硅膜被残留 BOE 刻蚀量少。反之,去离子水流量小时, 硅片表面残留 BOE 被冲洗干净需要时间长, 表面的二氧化硅膜被残留化学药液刻蚀量大。但大流量的去离子水冲洗会引起硅片在水槽中晃动,反而导致 SiO2 刻蚀速率片间均匀性变差藁城地图。
如果水槽里去离子水管不同孔中喷出去离子水流量不均匀时狮虎兽图片, 湿法刻蚀后的硅片之间的均匀性较差。优化设计去离子水管的管径、出水孔位置和出水孔直径可有效改善去离子水喷到每片硅片水流量的均匀性。
为了使得一个去离子水管的各个出水孔输出均匀的去离子水流,去离子水管的直径 D 应该接近。
(2)
式(2)[3]中,f 是去离子水管的材料的摩擦系数,rd 是去离子水管的静水压力恢复系数(hydrostatic pressure recovery coefficient)。
在去离子水管中,管子材料的摩擦系数 f 是波动的,可以用式(3)来表示。其中板栗电影网 ,k 表示去离子水管的粗糙度。
(3)
去离子水管的静水压力恢复系数可表示为:
(4)
其中德化人才网,(5)
结合上面的式(2),式(3),式(4)和式(5)得到:
(6)
根据水槽中去离子水管的长度,优化水管管径为A,同时配合硅片在槽中摆放位置在水管上分别开直径为 B、C、E 的三排出水孔的离子水管,可得到均匀喷到每片硅片去离子水水流。
如图 6 所示,新设计的去离子水水管可将 SiO2 刻蚀速率片间均匀性降低为原设计的 36%。
4 结语
本文中探讨了通过对清洗槽中化学药液流速的优化,化学清洗槽之后水槽的去离子水水流量优化,及水管设计优化可显著改善二氧化硅薄膜湿法刻蚀的片内及片间刻蚀均匀性快达票。二氧化硅薄膜 SiO2 湿法刻蚀的片内及片间刻蚀均匀性与化学槽中化学药液流速呈抛物线关系,当刻蚀剂流速为零时可获得最优的片内及片间刻蚀均匀性。化学清洗槽之后水槽的去离子水的流量加大会改善片内均匀性,但造成片间均匀性恶化。同时水槽中去离子水出水管设计优化也能改变二氧化硅薄膜湿法刻蚀的片间刻蚀均匀性。
参考文献
[1] 胡俊达.电子电器设备工艺设计和制造技术[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]韩郑生.半导体制造技术[M],北京:电子工业出版社,2004.
[3] Hsien-Ter Chou,Ray-Yuan Cheng.Outflow Distribution along Multipe-port Diffusion[J].Pro.Natl.Sci.counc.2001姜杰钢琴城 , 25(02):94-101.
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