唐在峰++吳智勇++任昱

摘 要：半導(dǎo)體制造過程中，干法刻蝕工藝需要晶圓背面與設(shè)備接觸，把晶圓固定和支撐住，掌握晶圓背面顆粒狀態(tài)對半導(dǎo)體工藝制程相當(dāng)重要。本文主要研究前段刻蝕工藝后晶圓背面顆粒的狀態(tài)、對工藝制程的影響以及降低這種影響的方法。前段刻蝕工藝由于穩(wěn)定性、精確性和準(zhǔn)確性的高要求，需要在每片晶圓作業(yè)完后對刻蝕腔體進行自身清潔和聚合物再淀積，以此來保證每片晶圓都有一致的刻蝕環(huán)境，刻蝕腔體中的靜電吸盤（ESC）表面會覆蓋聚合物，此聚合物的反應(yīng)對溫度非常敏感，由于ESC本身硬件的特性，表面聚合物淀積不均勻，造成與其接觸的晶圓背面顆粒數(shù)很高。對其他晶圓正面造成嚴(yán)重的影響，分析晶圓背面顆粒在設(shè)備傳輸過程中的變化，通過優(yōu)化晶圓冷卻裝置和冷卻時間，有效地降低晶圓背面顆粒對其他晶圓正面的影響。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制造 晶圓 背面 干法刻蝕 顆粒

中圖分類號：TN305 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0098-04

半導(dǎo)體制造過程中，晶圓正面是電路圖形，晶圓背面為光片，在工藝制程的最后被研磨掉大部分，容易被忽視，實際上在半導(dǎo)體制造的工藝過程中，晶圓背面不可避免地直接接觸到各類設(shè)備的平臺，經(jīng)過各道工序后，晶圓背面的顆粒狀態(tài)也在不斷地變化中，這些顆粒變化會交叉影響到晶圓正面的電路，掌握晶圓背面的顆粒狀態(tài)有利于降低此類影響。

本文主要研究半導(dǎo)體制造工藝中的等離子體刻蝕工藝，其中主要對前段刻蝕工藝后晶圓背面顆粒狀態(tài)做深入研究。前段刻蝕工藝指的是接觸孔之前的工藝，一般有淺溝槽刻蝕、多晶硅柵極刻蝕、柵極邊墻刻蝕等；而這些刻蝕工藝在整個半導(dǎo)體制程中都是舉足輕重的，所有的物理參數(shù)和電性參數(shù)都密切相關(guān)，對刻蝕設(shè)備的穩(wěn)定性提出很高的要求，導(dǎo)致每片晶圓刻蝕完后刻蝕腔體會進行自清潔和聚合物再淀積，以此來保證每片晶圓都有一致的刻蝕環(huán)境，這類先進方法的負作用就是使晶圓背面的顆粒狀態(tài)變得復(fù)雜化。

首先觀察前段刻蝕前后晶圓背面顆粒的變化并對晶圓背面顆粒進行成分分析，找到晶圓背面顆粒形成原因；接著評估刻蝕后晶圓背面顆粒的變化對工藝制程的影響；最后通過硬件和工藝的優(yōu)化，有效地解除此類影響。

1 前段刻蝕后晶圓背面顆粒的狀況

對前段刻蝕前后晶圓背面進行表面掃描，圖1是刻蝕前后晶圓背面掃描的結(jié)果，從影像圖中看到，刻蝕后的晶圓背面較刻蝕前出現(xiàn)明顯的變化，晶圓背面出現(xiàn)了很多不明顆粒。晶圓背面顆粒數(shù)目在刻蝕工藝后急劇增加，從原本的幾千顆增加到了十幾萬顆，其中大尺寸顆粒比重很高，刻蝕工藝前晶圓背面顆粒大小集中在1μm以下，但是刻蝕工藝后顆粒尺寸主要集中在1～3μm。

1.1 前段刻蝕后晶圓背面顆粒成分分析

通過掃描電鏡對干法刻蝕工藝后晶圓背面顆粒進行檢測和分析，如圖2所示，晶圓背面1～3μm尺寸的顆粒呈長條狀，顆粒的狀態(tài)是一部分聚合在一起，一部分發(fā)散開來。聚合狀態(tài)的顆粒與晶圓背面黏附性較強，離散狀態(tài)的顆粒與晶圓背面黏附性較弱，存在掉落的風(fēng)險。顆粒以硅元素為主，含有部分氧元素，同時也含有微量的氯元素，是刻蝕反應(yīng)后的生成物。

1.2 前段刻蝕后晶圓背面顆粒的來源

針對前段刻蝕后晶圓背面顆粒的來源，先從前段干法刻蝕設(shè)備進行分析，圖3是前段干法刻蝕設(shè)備的簡單示意圖，干法刻蝕設(shè)備是單片作業(yè)模式，晶圓正面在刻蝕過程中固定在靜電吸盤（ESC）上，吸盤呈圓形，通過在吸盤上加電壓，在晶圓與吸盤間產(chǎn)生電場，通過靜電吸住晶圓，在整個刻蝕過程中與晶圓背面整片接觸，導(dǎo)致晶圓背面顆粒狀態(tài)發(fā)生變化，即靜電吸盤是晶圓背面顆粒原來的載體。

分析刻蝕作業(yè)的模式，在刻蝕過程中ESC由于有晶圓在上方擋著，不會與等離子體直接接觸。但是前段刻蝕工藝對刻蝕設(shè)備的穩(wěn)定性要求很高，需要每片晶圓刻蝕完后腔體進行自清潔和聚合物再淀積，以此來保證每片晶圓的刻蝕環(huán)境一致，腔體自清潔和聚合物再淀積時ESC會如圖3所示，完全暴露在等離子體下，再淀積聚合物會覆蓋在ESC表面，如圖4所示。

分析圖4中ESC上的聚合物的組成部分，下面是設(shè)備再淀積步驟的完全反應(yīng)公式，主要是SiCl4和O2的反應(yīng)：

SiCl4（g）+O2（g）——>SiO2（s）+2Cl2（g） （1）

但是由于是在高能的等離子狀態(tài)下，反應(yīng)生成物不是以單一物質(zhì)SiO2和Cl2存在，實際會發(fā)生聚合反應(yīng)，存在的狀態(tài)是聚合物SinOn+xCl2（n-x） （x=-1～24），與圖2晶圓背面顆粒的成分相同，同時這種聚合物在等離子體狀態(tài)下又會發(fā)生解理反應(yīng)，如公式（2），在淀積的過程中解理和聚合反應(yīng)會達到動態(tài)平衡：

SinOn+xCl2（n-x）——> SiCl4+Sin-1On+xCl2（n-x-2） （2）

圖4顯示ESC上聚合物的厚度不均勻，表面也較粗糙。由于刻蝕工藝的需求，刻蝕腔體內(nèi)ESC的溫度需要得到有效的控制和調(diào)節(jié)，圖5是ESC溫度控制區(qū)域的示意圖，ESC有兩個控溫區(qū)，控溫區(qū)有加熱器，控溫區(qū)一是一個直徑為66.3mm的圓盤，控溫區(qū)二是內(nèi)徑為106.9mm，外徑為130mm的圓環(huán)，在控溫區(qū)一和控溫區(qū)二之間是熱傳導(dǎo)區(qū)域，沒有加熱器，通過熱傳導(dǎo)來控制溫度，在兩個控溫區(qū)與熱傳導(dǎo)區(qū)的交界線上會出現(xiàn)上下1℃的溫差?？涛g腔體再淀積過程是一個沒有離子轟擊能量的純化學(xué)反應(yīng)，因此對溫度的變化相當(dāng)敏感，控溫區(qū)交界線上的溫差會造成等離子狀態(tài)下聚合物SinOn+xCl2（n-x）解理和聚合的動態(tài)平衡發(fā)生變化，造成ESC表面聚合物沉積厚度不均、表面粗糙、性質(zhì)不夠致密，形成顆粒，當(dāng)晶圓背面與其接觸時，容易黏附上此類顆粒，加上靜電吸附作用，在晶圓背面吸附大量的顆粒。

2 晶圓背面顆粒工藝制程中的影響

晶圓背面顆粒是先進刻蝕工藝帶來的產(chǎn)物，晶圓完成刻蝕工藝后，傳輸過程中一般是邊緣通過3個支點進行支撐，晶圓的背面會完全暴露出來，傳輸過程中晶圓背面的離散顆粒由于黏附力漸漸變?nèi)跻约办o電的緩慢釋放，在重力的作用下往下掉落，整個傳輸過程中，兩種情況下會出現(xiàn)晶圓堆棧的現(xiàn)象，即上方晶圓背面的顆粒掉落在下方晶圓的正面，造成下方晶圓正面的污染，這兩種情況分別是冷卻裝置內(nèi)和載片器內(nèi)的晶圓堆棧。endprint

2.1 晶圓背面顆粒在冷卻裝置內(nèi)的影響

刻蝕后晶圓表面溫度高，在刻蝕工藝完成后會進入設(shè)備端的冷卻裝置進行冷卻，圖6為前段刻蝕設(shè)備使用的冷卻裝置照片，由于采用的是自然冷卻方式，冷卻裝置內(nèi)沒有復(fù)雜的電氣化設(shè)備，內(nèi)部只有4個欄位可同時放置和冷卻4片晶圓，也是通過3點支撐，同時在冷卻裝置的側(cè)面有一個排氣口，排走刻蝕后晶圓表面的殘留氣體。

當(dāng)出現(xiàn)上下兩個欄位同時有晶圓進行冷卻，冷卻時間為2min，上方晶圓背面的離散顆粒會掉落至下方晶圓的正面，下方晶圓的表面被嚴(yán)重污染。在冷卻裝置內(nèi)，由于晶圓堆棧式放置，相鄰的兩片晶圓中，上方晶圓背面的離散顆粒會造成下方晶圓正面的大面積污染。冷卻裝置配置4個放置晶圓的欄位，其中位置1，位置2，位置3這3個欄位被污染風(fēng)險高。

2.2 晶圓背面顆粒在載片器內(nèi)的影響

晶圓在刻蝕工藝傳輸末端即冷卻工藝完成后，傳輸回載片器，一般載片器可以放置25片晶圓，晶圓堆棧在載片器內(nèi)，上方晶圓背面完全暴露在下方晶圓正面，上方晶圓背面的離散顆粒會掉落至正下方的晶圓表面上。如圖8實驗所示，當(dāng)晶圓不經(jīng)過冷卻裝置，直接進入載片器內(nèi)，下方晶圓的正面出現(xiàn)大量的顆粒。從下方晶圓表面顆粒的分布來看，呈現(xiàn)兩個同心圓的形狀，這個形狀和位置與圖5中的ESC控溫區(qū)的邊界一致，由于熱傳導(dǎo)區(qū)與溫控區(qū)的交界線上存在上下1℃的溫差，這部分溫差會破壞聚合物SinOn+xCl2（n-x）的動態(tài)平衡，形成厚度不一，表面粗糙，性質(zhì)疏散的大顆粒，當(dāng)上方晶圓黏附了這部分顆粒后，在載片器內(nèi)，隨著黏附力的下降以及靜電緩慢釋放，晶圓背面的顆粒直接掉落到下方晶圓的表面，不會發(fā)生較大的位移，從而形成同心圓的分布。

2.3 相鄰兩片晶圓堆棧時間的影響

刻蝕工藝完成后，每片晶圓在冷卻裝置內(nèi)或載片器的時間各不相同，研究相鄰兩片晶圓堆棧的時間，確認晶圓背面顆粒在冷卻裝置和載片器內(nèi)的影響程度。圖9是相鄰兩片晶圓在載片器內(nèi)放置時間與下方晶圓表面顆粒變化趨勢圖，載片器內(nèi)相鄰兩片晶圓放置時間30s后，下方晶圓的表面已經(jīng)出現(xiàn)上百顆顆粒，當(dāng)放置時間達到120s，往下掉落的晶圓背面顆粒數(shù)已經(jīng)接近4000多，即在載片器內(nèi)相鄰兩片晶圓放置時間越長，處于下方的晶圓表面受影響會越大，同理在冷卻裝置內(nèi)，相鄰兩片晶圓冷卻時間越長，晶圓背面顆粒影響程度越深。

3 降低晶圓背面顆粒影響的方法

通過降低晶圓背面顆粒的影響來保證半導(dǎo)體工藝制程的穩(wěn)定性。前文已經(jīng)分析了晶圓背面顆粒在冷卻裝置和載片器內(nèi)的影響，主要是相鄰兩片晶圓中，上方晶圓對下方晶圓的影響，降低此影響一種方法是物理隔絕相鄰的兩片晶圓，這個在冷卻裝置內(nèi)可以實現(xiàn)。另一種方法是利用冷卻裝置內(nèi)的排風(fēng)系統(tǒng)，通過增加冷卻裝置欄位間距來增大晶圓背面顆粒被排氣口抽走的能力。由于載片器無法做相應(yīng)改造，這兩種方法都需要晶圓在冷卻裝置內(nèi)放置充足的時間，保證晶圓背面的離散顆粒已全部掉落，再次進入載片器后不會發(fā)生掉落的現(xiàn)象。

3.1 冷卻裝置的欄位間增加擋板

解決相鄰兩片晶圓背面顆粒影響的方法是對兩片晶圓進行物理隔絕，在冷卻裝置內(nèi)可以實現(xiàn)此方案：把冷卻裝置的4個欄位改為7個欄位，相鄰兩片晶圓中間錯開一個欄位，錯開的欄位放置隔板，共需要3塊，即在欄位2/4/6處放置，由于相鄰兩片晶圓間有擋板，因此上方晶圓背面的離散顆粒只會掉落在擋板上，不會影響下方晶圓正面，解決了冷卻裝置內(nèi)晶圓間互相影響的可能，再通過增加冷卻時間，盡可能保證晶圓背面的離散顆粒全部掉落在擋板上，降低載片器內(nèi)晶圓間互相影響的風(fēng)險。當(dāng)然冷卻裝置內(nèi)的擋板需要定時維護和清洗，保證擋板上的顆粒不會在工藝制程中發(fā)生二次污染。

3.2 放大冷卻裝置中欄位間距抽走晶圓背面顆粒

晶圓背面顆粒的影響，主要是脫離晶圓背面的離散顆粒造成的，這些顆粒會從晶圓背面往下掉落，冷卻裝置的側(cè)面具有排風(fēng)系統(tǒng)，可以利用此排風(fēng)系統(tǒng)，在晶圓背面顆粒掉落到下方晶圓之前，把這些顆粒從排風(fēng)系統(tǒng)中抽走，避免顆粒掉落到下方晶圓上。圖11是冷卻裝置欄位間距離對晶圓背面顆粒影響的實驗，圖中演示了當(dāng)冷卻裝置內(nèi)欄位間距從16mm增加到48mm后，相當(dāng)于側(cè)面排風(fēng)的截面積增大，排風(fēng)能力得到加強，晶圓背面的離散顆?？梢杂行У碾S著氣流方向被排走。圖12是相鄰兩片晶圓冷卻時間2min的情況下，下方晶圓表面被污染的實驗結(jié)果，當(dāng)冷卻裝置欄位間距被放大到48mm時，落在下方晶圓表面的顆粒數(shù)迅速下降，可見晶圓背面的顆粒已經(jīng)被完全的排走了。同理保證晶圓背面掉落的顆粒在冷卻裝置內(nèi)被充分的抽走，就可以避免這些顆粒在載片器內(nèi)的影響。

4 結(jié)語

半導(dǎo)體制程中的晶圓背面雖然沒有電路，但是晶圓背面顆粒的狀況對晶圓正面的圖形同樣會帶來嚴(yán)重的影響。本文分析了前段刻蝕工藝后晶圓背面顆粒的變化，當(dāng)晶圓固定在刻蝕設(shè)備中的靜電吸盤上時，晶圓背面與靜電吸盤的表面緊密的結(jié)合在一起，而靜電吸盤上的聚合物（先進刻蝕工藝特點）由于性質(zhì)較疏松，容易黏附和靜電吸附在晶圓的背面，形成較大的顆粒；晶圓在后續(xù)的傳輸過程中，隨著離散顆粒黏附性的減弱以及靜電的釋放，會往下掉落，分別在冷卻裝置和載片器內(nèi)掉落在正下方晶圓的表面，對晶圓正面的圖形造成影響；通過冷卻裝置的改造，在相鄰兩個欄位間增加隔板，對上下兩片晶圓進行物理隔絕或者增大冷卻裝置內(nèi)晶圓間距來增強冷卻裝置的排氣能力，解決晶圓背面顆粒在冷卻裝置內(nèi)的影響；同時延長冷卻時間，在冷卻裝置內(nèi)完成晶圓背面顆粒的掉落過程，降低晶圓背面對載片器的影響，成功保證了半導(dǎo)體工藝制程的穩(wěn)定性，減少了產(chǎn)品的報廢。

參考文獻

[1] 張新宇，易新建，趙興榮，等.微透鏡陣列的離子束濺射刻蝕研究[J].光學(xué)精密工程，1997（5）：6.

[2] 陳鎮(zhèn)龍，葉玉堂，劉霖，等.激光誘導(dǎo)液相電極腐蝕新方法[J].光電工程，2006（12）：136-140.

[3] 王沛，張斗國，唐麟，等.超分辨近場結(jié)構(gòu)之納米光刻技術(shù)[J].量子電子學(xué)報，2005（6）：840-843.

[4] 龔華平，呂志偉，林殿陽.激光束空間整形的研究現(xiàn)狀[J].激光與光電子學(xué)進展，2005（9）：2-5.

[5] 周月豪，柳海鵬，熊良才.激光誘導(dǎo)濕刻在微結(jié)構(gòu)加工中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進展，2004（10）：43-47.

[6] 張鋒，王陽，徐文東.超分辨近場結(jié)構(gòu)光刻技術(shù)[J].激光與光電子學(xué)進展，2003（9）：25-29.endprint