晶圓表面等離子蝕刻均勻性控制技術的進步

Stephen Hwang，Keren Kanarik

泛林集團

晶圓表面等離子蝕刻均勻性控制技術的進步

Stephen Hwang，Keren Kanarik

泛林集團

隨著半導體的特征尺寸越來越小，其設計的復雜度日益增加。這就要求蝕刻工藝必須在更高粒度化層面具備復雜的調節能力，以滿足更嚴格的均勻性要求。在工藝均勻性管理工作鏈中，晶圓表面等離子蝕刻的控制是一大關鍵因素，這些均勻性管理工作包括減少管芯間、晶圓間以及蝕刻腔間的差異性。正如本文討論的，在晶圓表面的許多“微區”內獨立調節關鍵參數的能力不僅能夠控制各個蝕刻工藝的徑向和非徑向圖形分布，同時能夠從晶圓中心位置到邊緣位置進行主動調節。

一般情況下，晶圓表面允許的最大工藝偏差應小于整體允許偏差的三分之一。例如，在14 nm節點設備上，柵極特征尺寸 (CD)的偏差限制為2.4 nm，則晶圓表面的工藝變異性必須小于1 nm。在5 nm節點上，晶圓表面的差異性需要小于0.5 nm。減少等離子蝕刻變異性面臨的幾個難題包括管理化學和電氣不連續性，以及開發能夠對工藝參數進行獨立控制的調節方法。

十多年前，隨著晶圓尺寸從200 mm過渡到300 mm，使實現晶圓表面差異性目標變得越來越具有挑戰性，但也越來越重要。由于單個晶圓上芯片數量不斷增加，且從晶圓中心到邊緣的變異性風險也越來越大，工藝設計師需要設計出高度粒度化的工藝控制方法。

起初，晶圓級均勻性的創新主要側重于對晶圓表面等離子化學物的調節，例如從多個位置注入反應氣體，以及將調節氣體添加到指定區域。控制晶圓邊緣和中心的氣體比率標志著對影響差異性的化學物及對流輸送因素的控制向前邁出了重要一步。由于這些工藝控制方法演變出包括晶圓外圍在內的多個注入位置，化學物控制的空間分辨率也得到了極大的提高。

開發獨立可調節的溫度控制器是另一個關鍵領域，需要在固定晶圓的靜電卡盤上增加不同的加熱和冷卻區。在這方面，隨著時間的推移，溫度控制區的數量不斷增加，從2002年的一個或兩個到如今超過100個位置，實現了更高的粒度化以校正潛在的變異性。通過在單個蝕刻室使用超過100個局部加熱器，如今最先進的溫度控制方法可以實現更高的空間分辨率以及在整個晶圓上獨立管理多個徑向和/或非徑向區域的能力。

這種獨立控制晶圓表面眾多微區多個參數的能力，不僅提高了晶圓的均勻性，還對整個工藝流程中蝕刻室的調節頗有益處。由于工藝腔體變得日益復雜，控制等離子蝕刻的能力正在擴展，延伸到對腔體內更多難以控制步驟的上下游不均勻性的補償。例如，如果上游某個步驟是中心位置速度快，則蝕刻室可以通過加快邊緣速度作為補償方法。

展望未來，晶圓邊緣附近(多達10%的芯片位于邊緣外側10毫米左右的區域)的均勻性控制會越來越受到關注。在該區域，電氣不連續性尤其會扭曲等離子體，并影響良品率。為了解決這個問題，目前正在開發創新的調節技術。

通過這些等離子蝕刻調節能力的共同作用，能夠更好地控制晶圓表面及外側邊緣的工藝均勻性，降低差異性，從而提高設備性能和良品率。

Stephen Hwang是泛林集團的技術總監。Hwang于2000年加入公司，并在導體、電介質和深硅和硅通孔(TSV)部門相繼擔任過多個技術和領導職位。Hwang獲得美國圣母大學化學工程博士學位。

Keren J.Kanarik是泛林集團的高級技術總監。Kanarik于2002年作為蝕刻工藝工程師加入泛林，在她的職業生涯中，曾在工程、蝕刻建模和市場營銷領域擔任技術職位。她是一位有名的作者，著有50篇技術文章，擁有近20項專利，這些成就無不體現出她對蝕刻和沉積技術的濃厚興趣。Kanarik獲得加州大學伯克利分校物理化學博士學位。