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(xué)微電子學(xué)院，上海 200240）

1 引言

半導(dǎo)體光刻膠去除工藝，一般意義上說分成兩種：傳統(tǒng)的濕法去光刻膠和先進(jìn)的干法去光刻膠，它們都是通過化學(xué)反應(yīng)來去除光刻膠，進(jìn)行的反應(yīng)也都是各向同性[1]。

半導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)是可以將光刻膠去除得很干凈，但是缺點(diǎn)也同樣明顯，速度太慢、生產(chǎn)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(jīng)很少使用了，更多的是作為干法去光刻膠的一種補(bǔ)充和作為干法去光刻膠后的清洗存在于業(yè)界。

與傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)。其工藝過程特點(diǎn)在于要經(jīng)由等離子和氣體擴(kuò)散進(jìn)行真空腔體反應(yīng)。由于光刻膠的主要成分是樹脂、感光材料和有機(jī)溶劑，它們的分子結(jié)構(gòu)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(yīng)活性的單原子氧極易與光刻膠中的碳?xì)溲醺叻肿踊衔锇l(fā)生聚合物反應(yīng)，從而生成易揮發(fā)性的反應(yīng)物，最終達(dá)到去除光刻膠層的目的[3]。這個(gè)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(jìn)行優(yōu)化，最終提高設(shè)備的產(chǎn)能，降低灰化工藝成本，提高產(chǎn)品良率，為半導(dǎo)體制造公司創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)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(jī)理分析

在常溫常壓下，CF4是一種穩(wěn)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(jīng)過氧化鋁表面，會經(jīng)過其表面的疏松部位與內(nèi)部的氧化鋁如下反應(yīng)：

我們認(rèn)為這個(gè)反應(yīng)會因?yàn)橄难趸X，產(chǎn)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(jìn)一步氧化消耗單原子氧，最終導(dǎo)致去膠機(jī)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(jī)器零部件損耗分析

現(xiàn)代干法去膠機(jī)內(nèi)包含許多材質(zhì)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(zhì)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(fā)生如下反應(yīng)：

CF4→C4++4F

CF4→2F+CF2

氟離子化學(xué)性質(zhì)極其活躍，與二氧化硅反應(yīng)生成揮發(fā)性的四氟化硅。

SiO2+4F→SiF4+2O

SiO2+2CF2→SiF4+2CO

這對許多材質(zhì)是二氧化硅的機(jī)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(shí)際大量生產(chǎn)中，我們發(fā)現(xiàn)一種稱之為blind的缺陷（如圖1所示）。

這種缺陷首先出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)晶圓的最邊緣區(qū)域沒有這種缺陷，缺陷都分布在晶圓中間區(qū)域。運(yùn)用SEM（掃描電子顯微鏡）對缺陷進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)這種缺陷是一個(gè)個(gè)小的鼓包，所有缺陷都分布在密集深孔區(qū)。運(yùn)用FIB（聚焦離子束）對缺陷進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)深孔內(nèi)形成氣泡。

對blind缺陷進(jìn)行跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，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(jìn)一步分析，我們發(fā)現(xiàn)深孔蝕刻干法去除光刻膠之后，深孔內(nèi)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(nèi)清除就會發(fā)生氟效應(yīng)，產(chǎn)生blind缺陷。而在干法去除光刻膠的過程中含氟氣體的應(yīng)用則會加重blind缺陷的產(chǎn)生。

3 后段干法去膠工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

3.1 后段干法無氟去膠工藝實(shí)驗(yàn)

干法去膠的制程原理是利用被解離的、化學(xué)性質(zhì)活潑的氧離子和主要成分是C和H的光刻膠反應(yīng)，生成氣態(tài)的CO2、CO和H2O，然后被真空泵抽走，實(shí)現(xiàn)光刻膠的去除[5]。依據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在干法去膠其他相關(guān)制程參數(shù)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(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，相較于含氟氣體的蝕刻率不穩(wěn)定，無氟去膠工藝可以獲得穩(wěn)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(shí)，無氟去膠工藝可以有效減少機(jī)器零部件損耗。

3.2 干法去膠中反應(yīng)溫度對蝕刻率的影響實(shí)驗(yàn)

在干法無氟去膠反應(yīng)中，從圖2我們發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)溫度為100℃時(shí)光刻膠蝕刻率將穩(wěn)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(jì)算，一片晶圓去膠時(shí)間超過4min。這在集成電路大量制造中效率太低。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在干法去膠其他相關(guān)制程參數(shù)都不變動的情況下，只針對反應(yīng)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(jī)臺加熱板溫度，使干法無氟去膠反應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，光刻膠蝕刻率隨著反應(yīng)溫度的增加而增加，在100℃到260℃區(qū)間基本成線性。所以只需提高反應(yīng)溫度就能大幅度提高光刻膠蝕刻率，從而提高產(chǎn)能，減少生產(chǎn)成本。

4 批量生產(chǎn)中優(yōu)化工藝方案重復(fù)性驗(yàn)證

針對批量生產(chǎn)中產(chǎn)品優(yōu)化工藝方案重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，采用0.13 μm的邏輯產(chǎn)品作為此次的實(shí)驗(yàn)對象。在此次實(shí)驗(yàn)中，將分別收集以下的相關(guān)數(shù)據(jù)，分別為晶圓表面缺陷、成品率、可靠性數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析，論證優(yōu)化工藝方案是否有不良影響，同時(shí)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化工藝方案在產(chǎn)品的大量生產(chǎn)中是否具有可行性。

選取3批產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)對象，每批產(chǎn)品包含25片晶圓。將每批晶圓分為兩組，分別運(yùn)行原工藝和優(yōu)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(yōu)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(yōu)化方案與原方案下晶圓表面缺陷對比

收集優(yōu)化工藝和原工藝下晶圓表面缺陷數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比分析，其結(jié)果如圖5所示。從比較數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化工藝方案對晶圓表面缺陷沒有不良影響。

4.2 優(yōu)化方案與原方案下晶圓良率對比

收集優(yōu)化工藝和原工藝下晶圓良率數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比分析，其結(jié)果如圖6所示。從比較數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化工藝方案對晶圓良率沒有不良影響。

4.3 優(yōu)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(shí)間）、SM（應(yīng)力遷移）可靠性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。從比較數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化工藝方案對晶圓可靠性沒有不良影響。

5 結(jié)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(nèi)在機(jī)理，重點(diǎn)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(jìn)行改良，提高晶圓反應(yīng)溫度來達(dá)到穩(wěn)定并提高灰化率、減少機(jī)器零部件損耗和解決blind缺陷的目的。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明改良去膠氣體組合配比可以穩(wěn)定灰化率、減少機(jī)器零部件損耗和解決blind缺陷，提高晶圓反應(yīng)溫度可以大幅度提高灰化率。

［1］Michael Quirk，Julian Serda.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)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(tǒng)[J].電子工業(yè)專用設(shè)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(xué). 2007.