[摘要] 本文系统研究了氨气等离子体进行有机材料（BARC）的刻蚀，研究了工艺参数：压力，静电吸盘温度对刻蚀的影响。使用氨气可以得到高的刻蚀速率，通过刻蚀参数的控制，可以在保持光刻胶顶部形貌的条件下得到直的侧壁形貌。发射光谱的研究显示，NH3等离子体中的活性组分为H* 和NH*. H*是刻蚀的主要活性物种，NH自由基会产生CN聚合物保护刻蚀目标的侧壁。
[关键词] 半导体工艺 刻蚀 氨气等离子体 底部抗发射层
[中图分类号] TN405 [文献标识码] A [文章编号] 1674-2583（2014）02-0028-05
1 前言
随着半导体技术的发展，技术节点从0.13um下降到了16nm， 甚至更小。同时对于刻蚀特征尺寸的控制要求也越来越高。另一方面，有机材料在半导体生产工艺中有着无可替代的作用。集成电路生产中用到的有机材料主要为光刻胶（I-line，248nm及193nm等），底部抗反射层材料（BARC，Bottom Anti-Reflective Coatings），无定形碳，以及有机的底介电常数材料等。PR主要用于形成光刻图形。BARC材料主要用来减少曝光时光的反射对特征尺寸的影响。无定形碳主要用于tri-layer结构的底部掩膜。而在前道制程（Front-End-of-Line）中，PR 和BARC材料主要用于离子注入前的图形化。
通常刻蚀特征结构中有机材料的结构如下图1所示。
图1a为在前道制程和后道制程中底部抗发射层的刻蚀。其工艺要求为精准的CD控制能力，高的BARC/PR 的选择比。图1b为三层结构（tri- layer）底部有机掩膜层的刻蚀。其工艺要求为精准的CD 控制能力，强的各向异性刻蚀能力，少的侧向刻蚀。图1c为光刻胶的干法去除，其对工艺的要求较低（low-k材料除外）。本文的技术工艺以图1a和图1b结构为主。
传统上对于有机材料的刻蚀以O2等离子体为主。氧气等离子体放电时产生高活性的氧自由基。氧自由基与有机材料反应生成挥发性的小分子如：CO等，从而刻蚀得以进行。化学反应式为：
氧等离子刻蚀的优势在于高的刻蚀速率。其缺点是刻蚀各向异性差。如图2所示。
从而，以氧气等离子体刻蚀底部抗反射层，特征尺寸变化很大，而且BARC对PR的选择比也较低（1：1），从而刻蚀图形传递的能力较差。随着制程节点的缩小，新的刻蚀工艺及刻蚀气体的选择和研发就提上了日程。
氨气是一种化学性质很活泼的气体。N-H键键能较小（391KJ/mol），因此在等离子体中NH3 很容易解离，形成大量活性的H自由基及NH自由基。
Songlin Xu【1】等人发现NH3 等离子体用于光刻胶去除时，可以得到最少的low-k损伤。NH3等离子体还被用于聚乙烯及聚亚酰胺的表面处理【2】。Hisao Nagai【3】等人利用NH3 等离子体进行有机Low-k材料的刻蚀，得到了非常直的low-k形貌。最近，我们利用中微半导体AD-RIE刻蚀机系统研究了以NH3 等离子体来进行底部抗反射层（BARC）的刻蚀，可以有效的解决上述O2等离子体的侧向刻蚀的问题。
2. 实验方法
2.1 实验装置
本实验在中微半导体AD-RIE 刻蚀机上进行，示意图3所示。
此刻蚀设备为平行板电极（Capacitor Coupled Plasma），刻蚀腔体分为上下两个极板，上极板为气体喷头，刻蚀气体从喷头均匀注入反应腔。下电极为静电吸盘，晶圆加工时通过静电吸引力吸附在ESC上。晶圆背面通有He gas来控制wafer的温度。本设备的射频功率分为高频（60Mhz）和低频（2Mhz or 13.56Mhz）。射频发生器从下电极输入射频功率以激发气体放电，形成等离子体，进行刻蚀。
2.2 实验方法
光刻胶刻蚀速率的测量晶圆为193纳米光刻胶晶圆。膜厚测量机台为KLA Tencor的F5X.刻蚀形貌的评价使用图形化的晶圆小切片贴在光刻胶晶圆上进行刻蚀，刻蚀完成后以扫描电镜测量断面及topview结果。
3.实验结果及讨论
3.1. 腔体压力对刻蚀速率的影响
如图4所示，我们研究了腔体压力对光刻胶刻蚀速率分布的影响。从结果来看，腔体压力对刻蚀速率的分布有显著的影响。腔体压力越大，刻蚀速率越慢。其原因有两点：（1）在高压条件下，等离子体中自由基的复合几率变大，导致等离子体中活性自由基的浓度下降。（2）高的腔体压力下，等离子体自偏压降低，离子物理轰击作用降低。
3.2 腔体压力对图形化晶圆形貌的影响
与此同时， 我们比较了不同压力下图形化晶圆刻蚀的结果。SEM断面结果显示，腔体压力对PR的形貌影响很大。在高压下（250mT）， 光刻胶较好的保持了刻蚀前的形貌。当腔体压力较低时，物理的轰击作用增强，光刻胶的顶部会被消尖。而消尖的形貌会影响后续的工艺，最终影响产品的电学性能。刻蚀完成后的特征尺寸测量结果也显示在高压下，与刻蚀前相比可以得到最小的特征尺寸偏差。
因此，腔体压力对于刻蚀形貌的控制起到非常重要的作用。
3.3 静电吸盘温度对刻蚀均匀度及图形化晶圆形貌的影响
对于有机材料的刻蚀，从机理上来说是一种化学反应性的刻蚀。因此反应温度对于刻蚀的结果影响很大。较高的晶圆温度有利于增加反应速率。中微半导体的AD-RIE 刻蚀机的静电吸盘分为两个区域（中间和边缘），可以独立的调节中间和边缘区的温度。从以下刻蚀速率的分布结果来看，两区静电吸盘可以独立的控制中间区边缘区的温度，而且光刻胶刻蚀速率对静电吸盘的温度非常敏感，温度越高，光刻胶刻蚀速率越快。
3.4 氨气发射光谱 （OES）分析
以发射光谱作为研究手段，我们系统研究了氨气等离子体放电的解离过程。在200～800纳米的波长范围内，能够显著观测到氨气特征发射峰。如下图所示，在656nm 和486nm，可观测到氨气解离所生成的H*的特征发射峰。同时，在336纳米～379纳米，可明显观测到NH 碎片的特征发射峰。
在OES 发射光谱研究的基础上，我们提出了NH3 在等离子体中的解离过程，以及各种分子碎片在刻蚀过程中起到的作用。以下为氨气的解离过程：
其中，H*具有高的化学活性，是有机材料刻蚀的主要活性物种。同时，NH 能与碳结合生成CN的聚合物，对刻蚀目标侧壁进行保护，减少刻蚀对特征尺寸的影响。这也是氨气刻蚀工艺区别于氧化性气体刻蚀的显著优点之一。另外，NH3价格低廉，刻蚀成本较低，是前景非常广阔的有机材料刻蚀气体。
4. 结论
氨气作为一种工业上常见的气体，其在半导体刻蚀工艺，尤其是有机材料的刻蚀上具有非常好的效果。在刻蚀形貌的控制和特征尺寸的控制上显示了很强的可控性和可调性。研究显示氨气是一种应用前景非常广阔的刻蚀气体。
参考文献
【1】Songlin Xu，J. Vac. Sci. Technol. B 25？1…， Jan/Feb 2007
【2】J. E. Klemberg‐Sapieha， J. Vac. Sci. Technol. A9， 2975 （1991）
【3】Hisao Nagai，J. Appl. Phys.， Vol. 94， No.3
推荐访问： 刻蚀 氨气 等离子体 有机 工艺上一篇：基于固体矿产的区域找矿技术分析
下一篇：视频会议显示技术及应用
XX委高度重视党校的建设和发展，出台《创建全省一流州市党校（行政学院）实施方案》及系列人才培养政策，为党校人才队伍建设提供了有力的政策支撑。州委党校在省委党校的悉心指导下、州委的正确领导下，深入贯彻落
为推动“不忘初心、牢记使命”主题教育常态化，树牢“清新简约、务本责实、实干兴洛”作风导向，打造忠诚干净担当、敢于善于斗争的执纪执法铁军，经县纪委常委会会议研究，决定在全县纪检监察系统开展“转变作风工作
为进一步发展壮大农村集体经济，增强村级发展活力，按照中共XXX市委抓党建促乡村振兴工作领导小组《关于印发全面抓党建促乡村振兴四个工作计划的通知》要求，工作队与村“两委”结合本村实际，共同研究谋划xx村
今年来，我区围绕“产城融合美丽XX”总体目标，按照“城在林中，水在城中，山水相连，林水相依”以及“城乡一体、景城一体、园城一体”的建设思路，强力推进城市基础设施建设、棚户区改造、房地产开发和城市风貌塑
同志们：新冠疫情发生至今已有近三年时间。三年来，在广大干群的共同努力下，我们坚决打好疫情防控阻击战，集团公司范围内未发生一起确诊病例，疫情防控工作取得了阶段性胜利。当前国际疫情仍在扩散蔓延，国内疫情多
我是毕业于XX大学的定向选调生，当初怀着奉献家乡、服务人民的初心回到XX，在市委的关心关爱下，获得了这个与青年为友的宝贵历练机会。一年感悟如下。一要对党忠诚，做政治坚定的擎旗手。习近平总书记指出，优秀
同志们：今天召开这个会议，主要任务是深入学习贯彻习近平总书记重要指示批示精神，以及李克强总理批示要求，认真落实全国安全生产电视电话会议和全省、全市安全生产电视电话会议精神，研究我县安全生产和安全隐患大
2022年市委政研室机关党的建设工作的总体要求是：坚持以XXX新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻党的XX届X中X会和省、市第十二次党代会精神，自觉运用党的百年奋斗历史经验，弘扬伟大建党精神，深
同志们：今天，我们在这里召开市直机关基层党建示范点工作会议，一方面是对各示范点单位进行表彰授牌，另一方面是想通过这种会议交流的方式，给大家提供一个相互学习、取长补短的平台和机会。市直工委历来把创建基层
新冠疫情暴发以来，学校党委坚决贯彻习近平总书记关于疫情防控工作的指示要求和党中央的决策部署，严格执行×××部、×××厅关于疫情防控的系列要求，认真落实驻地防疫部门的工作举措，继承发扬优良传统，以最高标