加速特徵相關的乾式蝕刻製程發展

作者 : Timothy Yang,Coventor軟體應用工程師

SEMulator3D的可視蝕刻特徵提供了一種類似於在實際蝕刻腔室之蝕刻速率的建模方法...

在乾式蝕刻中,由於與氣體分子的碰撞和其他隨機熱效應,加速離子的軌跡並不均勻且並非垂直的(1)。這會對蝕刻結果有所影響,因為晶圓上任何一點的蝕刻速率將根據大型腔室可見的立體角和該角度範圍內的離子通量而變化。這些不均勻且特徵相關(feature dependent;FD)的蝕刻速率使半導體製程設計過程中蝕刻配方的研發愈發複雜。在本文中,我們將論述如何透過在SEMulator3D中使用可視性蝕刻建模來彌補乾式蝕刻在這方面的不足。

1a:中性氣體在腔室內隨機流動的2D展示。氣體的行進角度在圖中描繪的所有方向上均等分佈。圖1b:顯示了帶正電的離子和一個帶負電的晶圓。離子會因電場而向下加速;然而,由於隨機熱效應和與其他離子或氣體分子的碰撞,完美垂直軌跡無法實現。角速度分佈可以近似為高斯函數。

角相關蝕刻

確定材料蝕刻速率(ER)最簡單的方法是在實際蝕刻前後測量晶圓的材料厚度。在蝕刻過程中使用平面晶圓可確保局部區域內的所有位置具有相同的張角和離子通量,這將帶來可測量的統一蝕刻速率(2a)。由於不同的蝕刻角度和不斷變化的離子通量,在特徵相關的蝕刻過程(如溝槽和硬掩膜蝕刻),確定該蝕刻速率是不可能的。SEMulator3D能夠使用其「多蝕刻」(multi etch)功能建模此類蝕刻。該軟體可測量任意給定點的可見立體角並計算與該立體角範圍內離子通量成比例的常態蝕刻量(2c)。入射角的離子通量分佈被假定為具有標準差的高斯分佈。

2a:在平面晶圓表面,每個位置(ABCD)完全暴露在腔室中(開口角為180°),並且接收各個方向的全部離子通量。圖2b:在凹坑和溝槽(EF)底部,腔室視線內的角度範圍減小。蝕刻速率可以表示為角度範圍內的分佈積分(垂直線之間曲線下的陰影區域)

蝕刻配方剖析

給定蝕刻腔室設置(RF功率和壓力設置)的離子角分散可以憑經驗用延時蝕刻樣品的掃描電鏡(SEM)影像確定,隨後可以在SEMulator3D中模擬出虛擬腔室內的「虛擬」結構。虛擬實驗設計可以在此模型中運行——透過改變角分散,直到虛擬蝕刻建模結果與實際SEM影像輪廓相匹配。

3展示的是,在SEMulator3D中將蝕刻樣品的虛擬延遲SEM與幾個不同厚度的模型進行了比較,顯示不同角分散值下的蝕刻形狀和深度。SEMulator3D中的厚度設置說明的是在大型腔室具有完全可視性的區域內理論上最大的材料去除。該設置將與實際蝕刻腔室中樣品上的最大離子通量成比例。

與實際蝕刻配方最匹配的模擬設置將在每個成比增加的厚度和時間上都具有與SEM影像相匹配的類比輪廓(3D類比影像)。開發與相應的實際蝕刻配方相匹配的模擬配方具有重大價值,它可用於預測樣品的蝕刻時間演變,並使製程探索期間在其他應用和結構中使用虛擬蝕刻模型成為可能。

圖3:模擬實驗設計與延遲SEM的比較。模擬實驗設計使用了恆定蝕刻量和不同的角分散(高斯分佈的標準差),進行類比並顯示增量材料刪除步驟失效。右側的長條圖說明了角度分佈與軟體中數值設置的相關性(不按比例)。蝕刻製程的實際角分散是透過找到與蝕刻輪廓最匹配的模擬實驗設計結果來確定的。

使用剖面配方最佳化SADP樣本

作為SEMulator3D中可視性蝕刻的示例,我們將使用剖面的二氧化矽(SiO2)和氮化矽(SiN)蝕刻製程模型來確保SADP柱孔關鍵尺寸的均勻性所需之最佳原子層沉積(ALD)厚度(見4)。

該樣本由50nm SiN層和100nm高的碳芯軸組成,芯軸直徑20nm,水準間距80nm。最終目標是使用SADP創建一個40nm間距的孔陣列。此剖面SiN/SiO2蝕刻的角分散為0.08,對所有異物的選擇比為0.3。使用ALD形成的孔不對稱形狀呈現為帶有圓形開口的菱形,與在芯軸上形成的圓柱形孔形成對比。

由於此菱形孔的大小可以透過ALD進行調整,我們需要確定ALD的臨界厚度,蝕刻過程中這一厚度的ALD下進入此菱形孔區域的離子總量與進入圓柱區域的離子總量相等,這將帶來相等的蝕刻深度和形狀。

4:孔陣列上的菱形SADP,芯軸直徑20nm,水平間距80nm。處於擴張的向外沉積形成了孔,這些孔又形成菱形並具有圓形開口。使用剖面SiO2蝕刻,可以探索不同ALD厚度蝕刻孔的形狀。

SEMulator3D中可以透過ALD厚度實驗設計確定這一最佳厚度。該模擬的結果如5所示,蝕刻自上而下的形狀和底部橫截面也可見。隨著ALD厚度的增加,SiN /基底介面處的孔形狀從方形變為圓形,並且逐漸變小。在足夠的ALD厚度下,菱形孔的尖端可視度有限,這會導致較低的蝕刻速率且蝕刻保持圓形。在23.5nm的ALD厚度下得到了此次剖面SiO2和SiN蝕刻製程最均勻的孔形狀。

結論

SEMulator3D的可視蝕刻特徵提供了一種類似於在實際蝕刻腔室之蝕刻速率的建模方法。SEMulator3D可視性蝕刻設置,例如角分散和選擇比,可以與延遲SEM影像進行比較,以驗證製程模型。之後,該製程模型可以用來探索蝕刻配方變化對不同結構和不同蝕刻次數的影響,免去實際晶圓製造和測試的時間和成本。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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