IC制程中氮化硅薄膜及相应氧化硅膜腐蚀工艺和机理研究Word格式.docx
《IC制程中氮化硅薄膜及相应氧化硅膜腐蚀工艺和机理研究Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IC制程中氮化硅薄膜及相应氧化硅膜腐蚀工艺和机理研究Word格式.docx（86页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
摘要本论文对集成电路制造工艺中，氮化硅膜和氧化硅薄膜的湿法腐蚀工艺和
机理进行了研究。
研究的重点是如何控制热磷酸（H。
PO。
）药液在腐蚀氮化硅膜的同时，其对氧化硅膜的腐蚀影响，并如何将这一关系合理地运用至《实际生产中，以提赢生产效率同时改善产品的品质。
对于STI隔离结构的腐蚀，在彻底腐蚀氮化硅膜的同时还需要确保隔离槽内高密度等离子体化学气相淀积（}{DP）的氧化硅膜具有一定的高度；
此外还要防止H；
药液中Si0：
颗粒析出而污染产品。
因此本论文采用H，PO。
部分药液交换的方法对氮化硅膜和氧化硅膜的腐蚀特性进行了评价，包括初期的假片评价及应用于小批量生产后的继续监控，从而获得了理想的部分药液交换频率和交换量。
即通过改变‰PO。
药液的液交换方法（液交换频度从30个批次缩短到15个批次；
液交换的量从全槽药液loo％交换变为交换28％量的药波），从丽有效地改善了由于H：
，P氓药液中由于Si离子浓度饱和而引起的二氧化硅颗粒的析出问题；
嗣时，部分药液交换后使褥H{PO。
药液对∞P氧化硅膜腐蚀速率升高到O．5A／min左右，接近于STI结构中氮化硅膜腐蚀时H：
，PO。
药液对HDP氧化硅膜限定的腐蚀遽率规格（<
0。
5A／min），从而达到了最佼的药液使用效率和设备生产效率之间的组合。
对于某些特殊结构的产品，＆口氮化硅膜用作为栅氧化硅氧化的阻挡层，由于产品玎发初期的工艺问题，导致由于表面氧化硅膜腐蚀不充分而引起的氮化硅膜残留的异常。
故需要对两步湿法腐蚀的条件（氮化硅膜的腐蚀和表面氧化膜的腐壤）进行羹薪确定。
遂过对正常产晶兹水准分割评价及实验晶上的恶化条件确认，延长了第一步的氧化硅膜腐蚀时间从3．5min到4min，同时对氮化硅膜腐蚀时HDP氧化硅膜的腐蚀速率规格进行了优化，从O．卜lA／min变成
<
lA／min，取消了腐蚀速率规格的下限限定。
因此，上述方法既有效地消除了困氧化硅膜腐蚀不充分而引起的氮化硅膜残留的异常：
同时又优化了在腐蚀氮化硅膜时H，P0。
对氧化硅膜腐蚀速率的限定援格，在保证产晶品质的前提下有效地提高了设备的生产效率。
关键词：
氮化硅膜；
氧化硅膜：
部分液交换；
H3吣
中图分类号：
TN405
1
Abstract
Carriedoutso辩erese＆rchfOrtheNitridewetetchingandeorrelative
0xidewetetchingp!
‘ocessintheICfabricationtechnologv+
Thr+oug}ltheevaluationofH3P0d（PhosphoricAcid）chemicalDartialexchange<
includedtheearlierDu嘲y弹aferevalu8tionandinitialr“ntracingafterthemethodreleased），improvedtheoxide扫articlesep&
ratedoutandprodtlctquality：
meanwhile，afterpartialchemiGaiexchange，theetchingrateofH3P04／HDPisneartotheHDPoxideratos塾ec（1essthan0．5矗／讯in），soitcou王dreachthebes专effectforenh8ncin量theequipmentmanLlfactL1reefficiency。
ThereistwomainchangepointsforpartialcheIfiicalexchange．Oneisehemicalexch8ngefrequencyfro热30batchesto15batches：
anotheroneischeflli（：
alexchangeamountrromlOO％to28％．
Forso玎Iespecialstruetureproduct，implemented￡}1eevaluationforthetwostepwetetchingprocess（Nitridewetetching＆surfacena“veo羔i垂ewetetohing），inclIJdingthenoI’}nalproductsplitevaluationandworstcaseconfirmby1、E（；
wafers，avoidedtheNitrideresidueabnormaIitv
duetotheirladequateetchingprocessII】argin，andoptimizedtheNitrideetchproeessstep，Furthermore，t聂efeasibi!
ityofne带etching弦oc8sshasbeenverifiedatthefinalyieldtestingandtransistorcharacterisCicmeasurement。
丁hereisalsotw。
maincha舅gepointsforthenewwe毛etchingproces8．（）neisprolongthesurfaceoxideetchingti豫efrom3。
5m{n屯o4min：
anotheroneisbroadentheHDpratespecfroll】O．1一lA／nlinto<
1A／玎1in．
嚣ey％rds：
娜i专ride：
Oxide：
P8}tialehemicaiexchange：
Phosphorie是cid
Class{fie程Code：
TN405
2
日U看
在集成电路工艺制造中，瀑法氮化硅膜（Si。
‰）腐蚀的工艺步骤在局部氧化（LOeOs，LocalOxidation）矛口浅结隔离（STI，ShallowTrenchIs01ated）技术中普遍使用：
同时，在一些特殊结构器件的制程中也会用到氮化硅膜腐蚀技术。
因为氮化硅膜可以作为硅基板氧化时的阻挡层，从而起到隔离器件的作用（氮化硅膜上的氧化速率较硅基板上氧化速率很慢）。
在器件隔离形成后即需要将氮化硅膜完全腐蚀掉，否则会影响后续的氧化工序而导致整个器件的失效。
可见，氮化硅膜的腐蚀在整个工艺流程中是十分重要的。
对于采用sTI隔离结构的产品，由于产品工艺的要求，需要保证沟槽内H卯氧化貘相对予硅基板平面的突出量，故在进行氮化硅膜瘸蚀时需要限定H．，P0。
对∽P氧化膜相应的腐蚀这塞（（O．5A，／min）。
但随之而来产生了由于HspO一药液中由于si离子浓度饱和而引起的SiO：
颗粒析出的问题，影响了产品品质。
通过进行H；
P0。
药液部分交换方法的评价，包括初期的假片评价和应用于小批量生产后的继续监控，可有效的改善SiO。
颗粒析出的问题，同时与提高设备的生产效率紧密结合，验证了其适用于大批量生产的可行性。
对于某些特殊结构的产品，它需要使用氮化硅膜作为栅氧氧化的阻挡层。
[；
；
l；
于初期产品开发时的氧化膜腐蚀量的不充分，导致了后续氮化硅膜残留异常的发生。
通过对两步湿法腐蚀约条件（氮化硅膜的腐蚀和表露氧化膜的腐蚀）避行评价，既可以有效的杜绝由于氧化膜腐蚀的不充分而引起的氮化硅膜残留的异常；
又优化了氮化硅膜腐蚀时H，；
对于氧化膜腐蚀速率的规格限定，有效提高了设备的生产效率。
同时，进行实际产品和实验品的恶化分割实验，确认其膜厚状况及最终的产品良率与晶体管特性参数，验证了新的腐蚀条件适用于批量生产的可行性。
本论文是笔者通过在FAB工厂内亲历的具有实战经验的2个课题项目，对IC制程中氮化硅薄膜及檑应氧化膜腐锤工艺和机理加以研究。
上述该2个课题项目尚有可被继续挖掘的潜力，故在今后工作中可将该课题研究不断地进行深入并在实际生产中得以更有效的应用。
第一章研究课题及相关鹜景的余绍
1．1课题背景
在集成电路工艺制造中，通常采用局部氧化（LOcOS，LocalOxidation）和浅结隔离（STI，shaHowTrenehIsolation）来实现有源区的隔离，并采用氮化硅膜（si．刘。
）对有源区进行覆盖帮镰护，如图卜1和图卜2所示。
在完成氧化硅隔离后，需要将有源区的氮化硅膜完全腐蚀掉，而湿法刻蚀工艺是一种在集成电路制造中被普遍使用的方法。
此外，在一些特殊结构器件的制程中也会遇到氮化硅膜的刻蚀问题。
因此，在器件隔离形成后，能否有效地腐蚀氯纯硅膜将决定器件性能的好坏、良品率的赢低以及可靠性。
可见，氮化硅膜的刻蚀在整个工艺流程中是十分重要的。
图卜lLOCOS结构图卜2孵I结构对于I．OCOS结构的器件，由于在硅基板进行纵向氧化形成场隔离区域的同
时，还存在着硅的横向氧化过程，从而将影响器件的有效宽度，减小晶体管的驱动电流：
但是L0cOs的隔离方法工艺较篙单，而且成本低。
对子sTI结构的器件，由于是使用浅沟槽的方法进行隔离，故不会影响到器件的有效宽度，从而保证了晶体管的特性参数（包括驱动电流和阈值电压等）。
但是由于使用到化学机械抛光（cMP）的表面平坦化技术，所以其工艺较为复杂，而且成本较高。
未来的发展趋势必将是线宽在O．25um以下能器件的隔离技术将普遍采用STI的方法，因此与STI工艺相关的氮化硅膜和氧化硅膜的刻蚀将更加重要。
l，2湿法腐蚀氮化硅膜现状
在Ie工艺流程中，湿法刻蚀（wetetching）是一个纯粹的化学反应过程。
它具有较高的腐蚀选择比、对硅基板较小的损伤的优点，同时又存在着严重的缺点：
各向同性、工艺控制难和过度的颗粒沾污。
氮化硅膜腐蚀通常所采用的腐蚀液是浓度为85％以上，温度在140至200摄氏度的磷酸，可以获得较为实用的氮化硅膜的刻蚀速率，同时对氧化硅膜和醚基投具有较高的腐蚀选择比。
从表卜1的腐蚀速率比较可见，1∞摄氏度的H。
P04对氮化硅膜大约有50A／min的腐蚀速率，其相对于氧化硅膜和硅基板的腐
蚀选择比约为50：
l。
而氢氟酸溶液对S州。
的腐蚀速率则明显降低，约为8A／min，
4
相反对Sioz的腐蚀速率大大增加。
吲此，若采用I{F溶液来腐蚀，则无法保证腐蚀完si=lN一膜的同时保留隔离槽中还有足够高度的si晚膜。
总之，在腐蚀氮化硅膜时采用磷酸药液比氢氟酸缓冲液更理想。
表卜lHF和H。
Pq对各种膜腐蚀速率比较
已有研究表明，在浓度为85％的H，PO。
中，对S圳。
真正起到了腐蚀作用是
15％的Hz0，H．tP0。
在其中主要起到催化剂的作用，用于溶解其中反应生成物，控制硅离子的浓度。
反应方程式为：
3SijN4+27H20+3H3P04∞4（NH4）3P04+9H2Si03
∞
字
刃
望
。
乌
∞色二
之虿己
匿
：
!
竺竺型兰!
生!
∞857075
concentr8t{on（％P2吼）
图卜3：
H。
P吼浓度和加热时矧与瘸蚀速率的变化关系
图卜3表明了si扎、siO：
膜的腐蚀速率与H．；
PO：
，浓度和加热时间的关系。
可以看出，随着H，P04浓度的增加，不同温度下的H_：
P0药液（j50摄氏受到170摄
氏度）对氮化硅膜的腐蚀速率均呈现下降的趋势。
由此可见在H．，吣药液腐蚀氮
化硅膜的过程中，保持适当稀释的H。
药液非常重要，即真正起到腐蚀作用的是另一部分的水。
同时，对于某一温度下H．，PO。
药液（i70摄氏度），随着加热时间的延长，药液内的水不断被蒸发同样会使得H。
浓度的增加，因此也会导致对氮化硅膜的腐蚀速率降低。
相反，鞋Jp（）{浓度增加却能导致其对氧化硅膜的腐蚀速率提高。
这表明在使用H，PO。
药液腐蚀氮化硅膜的过程中，腐蚀液中磷酸的浓度会发生变化，从而会改变对氮化硅、氧化硅膜的腐蚀特性。
如果我们控制
不好，毅容易引起腐锤不彻底或过度，降低了产品的质量。
1．3问题与挑战随着集成电路工艺的进步，线宽的缩小，对于产品表面的颗粒粘污的要求
越发严掺，同时某些特殊结构的产品在进行氮化硅膜腐蚀翦糨氧已形成，故在
进行氮化硅膜湿法全面腐蚀时将面I|缶如何合理控制磷酸药液对氧化硅膜相应的腐蚀情况以满足产品的质量的问题。
在实际的产箍制程中，H。
P04在腐蚀氮化硅薄膜的同习寸，对氧化硅膜的腐镪程度会大大影响产品的品质。
对于采用STI隔离结构的产品，由于要保证沟槽内H卯氧化膜鞠对于硅萋板平瑟的突出量，故在进行氮化硅膜腐蚀时需要限定H{PO一对HDP氧化膜相应的腐蚀速率（<
0．5A／JI】in）。
但随之而来产生了由于H。
P04药液中由于si离子浓度饱和丽引起的si晚颗粒析出的闻题，影响了产品品质。
对于某些特殊结构的产品，它需要使用氮化硅膜作为栅氧氧化的阻挡层。
由于初期产品开发时的氧化膜腐蚀量的不充分，导致了后续氮化硅膜残留异常的发生。
因此，了解也P执药液对氮化醚膜和各种氧化醚膜的腐蚀特性及褶互影确关系，并在一个药液使用周期内如何利用其腐蚀特性和相互之间的影响关系，对子保证产晶豹晶质，提高生产效率等实际工作问题将具有重要的指嚣意义。
6
第二章关键工艺技术和原理
2．1隔离技术集成电路制造工艺中，必须使用某种隔离工艺模块用于器件的隔离。
衡量隔
离工艺模块的的指标有隔离密度，工艺复杂度，成品率，平坦化程度和寄生效应等。
在这些指标之间存在着折衷，没有一种隔离工艺模块对所有的电路是适合的。
对于DR删的电路，高密度，高复杂度的隔离模块是合适的，但对于低成本的TTL电路，就可以采用工艺比较筒单，密度较低的隔离模块。
2．1．1LOcoS（硅的局部氧化）技术制作厚场氧化层的最直接的方法是在制作器件之前生长一层厚氧化层，然
后在氧化层中刻蚀出一个窗口，并在这些窗口中制作器件。
这种方法有两个严重
的缺点。
首先，这种方法形成的表面有高的台阶，这使得后续的淀积工艺的台阶覆盖率差，并且影响光刻工艺的质量。
在光刻小尺寸图形时这个问题将变得尤为严重。
第二个缺点不象第一个缺陷那样明显。
在轻掺杂的衬底上，必须用离予注入的方法形成一个保护环来提高闽值电压。
除非采用高的注入能量，否则保护环的注入必须在氧化前进行。
在氧化过程中产生的点缺陷也可能会增加氧纯过程中的扩教。
这个效应和光刻对准的容差要求一起，将大大降低集成电路的密度。
硅的局部氧化（LOCOS）隔离技术已经成为硅集成制造的标准工艺。
在这个工艺中，首先生长一层薄氧化层，然后（通常用LpcVD法）淀积一层氮化硅膜
（Si。
№）。
用光刻／刻蚀形成s州。
阻案后，去掉光刻胶，再进行场氧化（圈2—1sTEPl
所示）。
在场氧化中，si．；
N。
阻挡了氧化剂的扩散，使si，№下面的硅不能被氧化，
S训。
的顶部也将生长出一层薄的氧化层，它使得Si：
心的厚度不能低于1000A（图
2—1STEP2所示），而且在去除Si．，心之前，必须首先去除Si，心顶部的氧化层。
在
S涮。
去豫后，最终形成场区域隔离结构（图2一lSTEp3所示）。
工艺流程简图2一l：
SCeplStep2Step3图2一lLOCOS结构工艺流程图由于SiO：
生长时会消耗掉44％的硅，因此最终形成的氡纯层是部分凹入的
7
而且场区的台除平缓，易于后续的薄膜层的覆盖。
同时L∞0s工艺在硅表西留下一个特有的凸起，凸起后面是逐渐变薄的伸入有源区内的氧化层。
由于屡然的原落，这一结构被称为“鸟嘴”（birdbeak）
si，N。
下面薄的缓冲氧化层的作用是减少氧化过程中硅衬底的应力。
这～应力是由于硅衬底和si。
M的热膨胀系数不涯配，以及生长中的氧化层体积增加而造成的。
在高温下，氧化层的粘性流（滞流）可大大减小这一应力。
已经做了大量的研究来优化氧化层和si3N4的厚度。
如果树底中的应力超过硅的屈服强度，它将在衬底中产生位错。
较厚的缓冲氧化层将减小衬底中的应力。
不会引起位错产生可容许的缓冲氧化层的最小厚度大约楚si；
M厚度的l／3。
但这个厚度必须与随氧化层厚度增加的氧化层横向侵入长度做折震，氧化层的横向生长是由氧化剂在缓冲氧化层中的横向扩散雨引起的。
当Si。
N4与缓冲氧化层的厚度比为
2．5：
l时，氧化层的横向侵入长度，或鸟嘴长度，近似等于场氧化层的厚度。
从器件的角度来看，鸟嘴的存在造成两个严重的后果。
由于有源区经常至少
在一个方向上确定了器件的边缘，因此鸟嘴会减少器件的有效宽度，从而减少了晶体管的驱动电流。
场区掺杂则将导致另一个微妙的效应。
场氧化工艺使注入的常区杂质扩散进有源区的边缘。
如梁晶体管的宽度足够窄，那么场区扩散过来的杂质将提高器件的闽值电压，从而减小器件的驱动电流。
这一效应被称为窄沟效应，它在密度很高的电路如存储器中是非常重要的。
2．1．2STI（浅沟稽隔离）技术
20世纪80年代时，人们开始发现，无论是LOcOs技术还是其他任何的改进技术，都不适合用于晶体管密度远远超过于107cM。
的集成电路。
只要考虑一下晶体管的尺寸就很容易看出这点。
典型的内部逻辑器件的宽长比约为4：
1。
现在人们认为，对于先进的L0cOs工艺，其最小的隔离距离绝对值约为O．8um，这是从一个N上P结的边缘到另一个N+P结边缘的距离。
限制隔离距离的最终因素不再是表面反型或简单豹穿通现象，面是静被称为漏感应势垒降低的穿通效应。
浅沟播隔离技术（sTI）较之与硅的局部氧化技术（LOC。
S）复杂了很多，丽且沟槽隔离技术难以与必须使用任意的器件闽距的随机逻辑电路技术集成在一起。
由于化学机械抛光（e归）可以无须光刻步骤而去除多余的淀积氧化层，因此CMP工艺技术的发展已经使得原先被否决的沟檀隔离技术成为一种可行豹工艺解决方案。
如圈4所示，这种工艺营先生长loo到150A的缓冲氧化层，然后用LPCvD的方法淀积一层15。
0到2000A的Si|iN。
接着在光亥l出场区图案后进行Si．，哺，Si侥和si的刻蚀。
刻蚀的深度一般约为O．5um（捌蚀深凄是指沟槽的底部低于硅基板平面0．5um），被猁蚀出的沟稽侧壁的倾斜度要求在75～
80度之间。
如果需要，接下来就进行场区的注入以防止沟槽下方的反登，此次
8
场区注入也可以在c雏P之后完成，但需要更高的离子注入能量。
然后，热氧化生长一层薄的siO：
（150～200A）层，以减少于法刻蚀时对侧壁造成的损伤，并使沟稽的拐角更圆滑～些。
接着，采用高密度等离子体化学气相淀积的方法淀积一层O．9～1．1um厚的氧化硅层（图2—2sTEPl所示），并用c∞技术去除多余的氧化硅层以达到平坦化。
Si，№是用做C即过程中与氧化层之间不同介质的终点检知用（图2—2STEP2所示）。
最后，用H。
去除Si．，M，并用HF除掉缓冲氧化层，最终形成浅沟槽隔离的结构（图2—2ST酽3所示）。
工艺流程简图请参见蚕2—2：
SteDlStep2Step3
图2—2：
STI结构工艺流程图
sTI在工艺集成上有很多困难，其中一些与沟槽上方的拐角有关。
在一个MOS晶体管中，多晶硅栅一般会延伸到场氧化层上，以保证源漏之间隔离。
如果sTI的拐角太尖，沟槽的侧壁将发生反型（由于场区的浓度引起），从而导致亚闽傻区的漏电流过大。
如果e狰过度，即平坦的氧化层项部低予有源区硅平面，那么会造成后工序过程中出现栅极短路的现象。
为了避免这个问题，沟槽的侧壁必须有适当的倾斜角度，且其上方的拐角必须是圆滑的。
为了获得预期
的圆形拐角，可通过si．，沁层下横向刻蚀siO：
来有选择往的去除部分的缓冲氧化层，然后再在高温的环境（约l100摄氏度）和／或含Hcl的气氛中进行氧化。
cMP所形成的氧化层凹陷使场氧厚度减薄，并可能因此丽制定关于最大隔离距离和／或使用假有源区的设计规则。
2．2二氧化硅膜和氮化硅膜的制备及特性
在本论文所进行的实验研究中，首先需要获德热磷酸药液对各种氧化硅膜和氮化硅膜的腐蚀速率的数据，从而为进一步研究实际集成电路制程中氮化硅和氧化硅膜腐蚀工艺提供基础。
氧化硅膜包括热氧化膜@hermal0xide）、高密度等离子体化学气相淀积的氧化硅膜（Hi曲DensityPEcVB）、掺硼磷的常压氧化硅膜（BPSG）。
9
2．2．1二氧化硅膜的特性及热氧化工艺氧化硅朕（si侥）对于微电子非常重要，它的形态被称为熔融石英。
Si02是非
晶体，雨且在17lO摄氏度以下在热动力学方藤是不稳定的。
尽管熔融石英不是长范围有序，但它却表现出短的有序结构。
它的结构（如图2～3）可以认为是4个氧原予位于三角形多面体的角上。
多面体的中心是一个硅原子。
这样，每四个氧原子近似共价键合到硅原子，满足硅的化合价外壳。
如果每个氧原子是两个多面体的一部分，则氧的化合价也被满足，结果就成了称为石英的规则的晶体结构。
在熔融石英中，某些氧原子，称为氧桥位，与两个硅原予键合。
某些氧原子没有氧挢，只和一个硅原子键台。
可以认为热生长Si02主要是出任意方向的多面体网络组成的。
与无氧撬位相比，有氧桥豹部分越大，氧化层的粘合力就越大，且受损伤的倾向就越小。
干氧氧化层的有氧桥与无氧桥的比率远大于湿氧氧化层。
图2—3：
媳型的si0。
物理结构，由位于氧多面体中心的硅原子构成氧化硅膜是～种致密的物质而且能够覆盖在整个硅基板表面。
如果要继续
进行硅的氧化过程，氧分子藏必须扩散穿过氧化层才雒够和底下的硅原子产生化学反应（如图2—4）。
正在戒长增犀的氧化硅层会使{寻氧化的扩散受到阻碍而变得缓慢。
当暴露的硅基板矗接接触到大气层时，它几乎立刻裁和空气中的氧或湿气产生化学反应而形成一层很薄的氧化层（大约10到2弧），也就是所谓的自然氧化层（Native0xide）。
原始硅表两
了、、
02
土0
图2—4：
硅氧化过程示意图硅在分子氧中的氧化按照全反应方程进行：
Si+O。
一>
SiO。
此过程称为予氧氧化（DryOx
升级会员 