后段工藝干法去除光刻膠研究

賴海長，郭興龍

（上海交通大學微電子學院，上海 200240）

1 引言

半導體光刻膠去除工藝，一般意義上說分成兩種：傳統的濕法去光刻膠和先進的干法去光刻膠，它們都是通過化學反應來去除光刻膠，進行的反應也都是各向同性[1]。

半導體去光刻膠工藝早期是將整盒晶圓一起浸入酸槽，由酸液將光刻膠去除，這種方法的優點是可以將光刻膠去除得很干凈，但是缺點也同樣明顯，速度太慢、生產效率低，并且由于酸液的各向同性腐蝕，對多晶硅和金屬刻蝕后去光刻膠的特征尺寸控制極為不利[2]。所以，目前已經很少使用了，更多的是作為干法去光刻膠的一種補充和作為干法去光刻膠后的清洗存在于業界。

與傳統的濕法去膠法相比，干法去膠法具有去膠灰化率高、可靠性高的優點。其工藝過程特點在于要經由等離子和氣體擴散進行真空腔體反應。由于光刻膠的主要成分是樹脂、感光材料和有機溶劑，它們的分子結構都是由長鏈的碳、氫、氧組成，氧等離子體去膠工藝是利用氧等離子體中的高反應活性的單原子氧極易與光刻膠中的碳氫氧高分子化合物發生聚合物反應，從而生成易揮發性的反應物，最終達到去除光刻膠層的目的[3]。這個工藝通常又被稱為灰化工藝。

本文旨在對后段干法去膠工藝的氣體組合和配比進行優化，最終提高設備的產能，降低灰化工藝成本，提高產品良率，為半導體制造公司創造良好的經濟效益。

2 后段干法去膠工藝存在的問題及分析

2.1 含氟氣體（CF4）去膠灰化率降低機理分析

在常溫常壓下，CF4是一種穩定的氣體，但是在高溫、低壓和等離子體中，CF4被解離生成了極具活性的氟離子：

CF4→C4++4F-

而氟離子極具穿透性的離子，經過氧化鋁表面，會經過其表面的疏松部位與內部的氧化鋁如下反應：

我們認為這個反應會因為消耗氧化鋁，產生大量疏松的AlF1.6（OH）1.4.0.4H2O和AlF2（OH）[4]，而曝露出大量的金屬鋁層，進一步氧化消耗單原子氧，最終導致去膠機因單原子氧不足使得灰化率大大降低。

2.2 含氟氣體（CF4）去膠機器零部件損耗分析

現代干法去膠機內包含許多材質是二氧化硅的零部件。以美商得升公司的ASPEN II 為例，里面包含石英管和石英窗等材質為二氧化硅的零部件。在等離子體中，含氟氣體被解離生成了極具活性的氟離子。以CF4為例，在等離子體中發生如下反應：

CF4→C4++4F

CF4→2F+CF2

氟離子化學性質極其活躍，與二氧化硅反應生成揮發性的四氟化硅。

SiO2+4F→SiF4+2O

SiO2+2CF2→SiF4+2CO

這對許多材質是二氧化硅的機器零部件造成破壞，我們不得不對這些零部件做定期、頻繁的更換，從而造成工藝成本的上升。

2.3 含氟氣體去膠晶圓表面缺陷分析

在實際大量生產中，我們發現一種稱之為blind的缺陷（如圖1所示）。

這種缺陷首先出現在深孔蝕刻干法去完光刻膠之后。對缺陷所處晶圓的位置分析發現晶圓的最邊緣區域沒有這種缺陷，缺陷都分布在晶圓中間區域。運用SEM（掃描電子顯微鏡）對缺陷進行分析發現這種缺陷是一個個小的鼓包，所有缺陷都分布在密集深孔區。運用FIB（聚焦離子束）對缺陷進行分析發現深孔內形成氣泡。

對blind缺陷進行跟蹤研究發現，濕法清洗并不能把它去除。這種缺陷對后面的制程造成影響，最終造成3%～5%的良率損失。

對blind缺陷做進一步分析，我們發現深孔蝕刻干法去除光刻膠之后，深孔內會有一些殘留物。這些殘留物需要盡快用濕法清洗去除，如果沒有在4h內清除就會發生氟效應，產生blind缺陷。而在干法去除光刻膠的過程中含氟氣體的應用則會加重blind缺陷的產生。

3 后段干法去膠工藝優化實驗

3.1 后段干法無氟去膠工藝實驗

干法去膠的制程原理是利用被解離的、化學性質活潑的氧離子和主要成分是C和H的光刻膠反應，生成氣態的CO2、CO和H2O，然后被真空泵抽走，實現光刻膠的去除[5]。依據實際實驗驗證，在干法去膠其他相關制程參數都不變動的情況下，只將含氟氣體去除，就能解決上述問題。

從含氟與無氟對比數據中我們發現，相較于含氟氣體的蝕刻率不穩定，無氟去膠工藝可以獲得穩定的光刻膠蝕刻率（如圖2所示）。相較于含氟氣體的blind缺陷高，無氟去膠工藝可以有效防止blind缺陷（如圖3所示）。同時，無氟去膠工藝可以有效減少機器零部件損耗。

3.2 干法去膠中反應溫度對蝕刻率的影響實驗

在干法無氟去膠反應中，從圖2我們發現在反應溫度為100℃時光刻膠蝕刻率將穩定在230nm/min左右。在集成電路后段制程中，蝕刻完成后光刻膠殘留厚度最厚超過700nm，按30%過蝕刻（overetch）計算，一片晶圓去膠時間超過4min。這在集成電路大量制造中效率太低。

依據實驗驗證，在干法去膠其他相關制程參數都不變動的情況下，只針對反應溫度作出改變，將會改變光刻膠蝕刻率，從而找到提高光刻膠蝕刻率的方法。改變機臺加熱板溫度，使干法無氟去膠反應溫度分別為80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃，測量光刻膠的蝕刻率。實驗結果如圖4所示。

依據實驗結果，光刻膠蝕刻率隨著反應溫度的增加而增加，在100℃到260℃區間基本成線性。所以只需提高反應溫度就能大幅度提高光刻膠蝕刻率，從而提高產能，減少生產成本。

4 批量生產中優化工藝方案重復性驗證

針對批量生產中產品優化工藝方案重復性驗證實驗，采用0.13 μm的邏輯產品作為此次的實驗對象。在此次實驗中，將分別收集以下的相關數據，分別為晶圓表面缺陷、成品率、可靠性數據，進行對比分析，論證優化工藝方案是否有不良影響，同時在此基礎上進一步驗證優化工藝方案在產品的大量生產中是否具有可行性。

選取3批產品作為實驗對象，每批產品包含25片晶圓。將每批晶圓分為兩組，分別運行原工藝和優化工藝程式，原工藝包含的晶圓編號為1、3、4、8、9、10、13、15、17、19、20、23；優化工藝包含的晶圓編號為 2、5、6、7、11、12、14、16、18、21、22、24，25。

4.1 優化方案與原方案下晶圓表面缺陷對比

收集優化工藝和原工藝下晶圓表面缺陷數據并進行對比分析，其結果如圖5所示。從比較數據中我們發現，優化工藝方案對晶圓表面缺陷沒有不良影響。

4.2 優化方案與原方案下晶圓良率對比

收集優化工藝和原工藝下晶圓良率數據并進行對比分析，其結果如圖6所示。從比較數據中我們發現，優化工藝方案對晶圓良率沒有不良影響。

4.3 優化方案與原方案下晶圓可靠性對比

分別收集晶圓的EM（電遷移）、TTF（失效時間）、SM（應力遷移）可靠性數據，數據結果如圖7所示。從比較數據中我們發現，優化工藝方案對晶圓可靠性沒有不良影響。

5 結語

本文以解決后段去膠工藝中存在的問題為課題，分析了造成這些問題的內在機理，重點闡述了如何提升和改善后段去膠工藝的方法。

文中提出了通過對去膠氣體組合配比進行改良，提高晶圓反應溫度來達到穩定并提高灰化率、減少機器零部件損耗和解決blind缺陷的目的。最后進行了實驗分析，實驗結果證明改良去膠氣體組合配比可以穩定灰化率、減少機器零部件損耗和解決blind缺陷，提高晶圓反應溫度可以大幅度提高灰化率。

［1］Michael Quirk，Julian Serda.半導體制造技術[M].北京：電子工業出版社，2005.310-316.

［2］Hai-Au, Phan-vu. Fund of photolithography and resist part I[M]. 2000.41-42.

［3］王萬琪.光刻膠處理系統[J].電子工業專用設備，1988，1：59-63.

［4］Hai-Au, Phan-vu. Fund of Mattson ICP part II[M]. Mattson internal,1997. 72-74.

［5］馮偉.含氟氣體的去光刻膠工藝灰化率提高的研究[A].上海: 上海交通大學. 2007.