加速特征相關(FD)干法刻蝕的工藝發展
在(zai)干法(fa)刻(ke)蝕(shi)中，由于與氣體(ti)分子的碰撞和(he)其他隨機熱效應，加速離子的軌跡是不(bu)均勻且不(bu)垂直的（圖1）。這會對刻(ke)蝕(shi)結果有(you)所影響，因為晶(jing)圓(yuan)上任何一(yi)點的刻(ke)蝕(shi)速率(lv)將(jiang)根據大(da)體(ti)積腔室可(ke)見的立體(ti)角(jiao)和(he)該角(jiao)度(du)范圍(wei)內的離子通量而(er)變(bian)化(hua)。這些(xie)不(bu)均勻且特(te)征相關(guan)的刻(ke)蝕(shi)速率(lv)使半導體(ti)工藝設計過程(cheng)中刻(ke)蝕(shi)配方的研發愈發復雜(za)。在(zai)本(ben)文(wen)中，我們將(jiang)論述如(ru)何通過在(zai)SEMulator3D?中使用可(ke)視性刻(ke)蝕(shi)建模來彌(mi)補干法(fa)刻(ke)蝕(shi)這一(yi)方面的不(bu)足(zu)。
圖1a：中性氣體在腔室內隨機流動(dong)的二維展示。氣體的行進(jin)角度在圖中描繪的所有方向上均(jun)等分布（圖1a）。圖1b：顯示了帶正電(dian)的離(li)子(zi)(zi)和一個帶負電(dian)的晶圓。離(li)子(zi)(zi)會因電(dian)場而向下加速；然而，由于(yu)隨機熱效應(ying)和與其他離(li)子(zi)(zi)或氣體分子(zi)(zi)的碰撞，完美(mei)垂直(zhi)軌跡無法實現。角速度分布可以(yi)近似為高斯函數（圖1b）。
角相關刻蝕
確定(ding)(ding)材料(liao)刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)速率(ER)最簡單的(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa)是(shi)在實際刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)前后測(ce)量晶圓(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)材料(liao)厚度。在刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)過程(cheng)中(zhong)使用(yong)平面(mian)晶圓(yuan)可(ke)(ke)確保局部區(qu)域內的(de)(de)(de)(de)(de)所(suo)有(you)(you)位置具(ju)有(you)(you)相同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)張(zhang)角和離子(zi)通(tong)量，這將帶來可(ke)(ke)測(ce)量的(de)(de)(de)(de)(de)統一刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)速率（圖2a）。由于(yu)不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)角度和不斷(duan)變化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)離子(zi)通(tong)量，在特征(zheng)相關的(de)(de)(de)(de)(de)刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)過程(cheng)、例如溝槽和硬掩膜刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)中(zhong)，確定(ding)(ding)該刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)速率是(shi)不可(ke)(ke)能的(de)(de)(de)(de)(de)。SEMulator3D能夠使用(yong)其“多刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)”功能模擬此類刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)。該軟件可(ke)(ke)測(ce)量任意給定(ding)(ding)點的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)(ke)見立體(ti)(ti)角并計算與該立體(ti)(ti)角范圍內離子(zi)通(tong)量成(cheng)比例的(de)(de)(de)(de)(de)常態刻(ke)(ke)(ke)(ke)蝕(shi)(shi)量（圖2c）。入射(she)角的(de)(de)(de)(de)(de)離子(zi)通(tong)量分布被假定(ding)(ding)為(wei)具(ju)有(you)(you)標(biao)準差的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)斯(si)分布。
圖2a：在平面晶圓表(biao)面，每個(ge)位置(A、B、C、D)完全暴露在腔室中（開口角為180°），并且接收各個(ge)方(fang)向的(de)全部離子通量。圖2b：在凹(ao)坑和(he)溝槽(cao)(E、F)底部，腔室視線內的(de)角度(du)范圍減(jian)小。刻蝕速(su)率可以表(biao)示為角度(du)范圍內的(de)分(fen)布積分(fen)（垂直線之(zhi)間曲線下的(de)陰(yin)影區域）。
刻蝕配方剖析
給定刻(ke)蝕(shi)(shi)腔(qiang)(qiang)室設(she)置(zhi)（射(she)頻功(gong)率和壓(ya)力設(she)置(zhi)）的離子角(jiao)(jiao)分散(san)可以憑經(jing)驗用(yong)延(yan)時(shi)(shi)刻(ke)蝕(shi)(shi)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)的掃描電鏡(SEM)圖(tu)像確定，隨后可以在(zai)(zai)(zai)SEMulator3D中(zhong)(zhong)模(mo)擬(ni)出虛(xu)擬(ni)腔(qiang)(qiang)室內的“虛(xu)擬(ni)”結構。虛(xu)擬(ni)實驗設(she)計可以在(zai)(zai)(zai)此模(mo)型(xing)(xing)中(zhong)(zhong)運行——通過改(gai)變(bian)角(jiao)(jiao)分散(san)，直(zhi)到虛(xu)擬(ni)刻(ke)蝕(shi)(shi)建模(mo)結果與實際SEM圖(tu)像輪廓(kuo)相(xiang)匹配(pei)。圖(tu)3展示的是，在(zai)(zai)(zai)SEMulator3D中(zhong)(zhong)將(jiang)刻(ke)蝕(shi)(shi)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)的虛(xu)擬(ni)延(yan)時(shi)(shi)SEM與幾個不同厚度(du)(du)的模(mo)型(xing)(xing)進(jin)行了(le)比較，顯(xian)示不同角(jiao)(jiao)分散(san)值下的刻(ke)蝕(shi)(shi)形狀和深度(du)(du)。SEMulator3D中(zhong)(zhong)的厚度(du)(du)設(she)置(zhi)說(shuo)明(ming)的是在(zai)(zai)(zai)大(da)(da)(da)體積腔(qiang)(qiang)室具(ju)有完全可視性的區域內理論上最(zui)(zui)大(da)(da)(da)的材(cai)料去除。該設(she)置(zhi)將(jiang)與實際刻(ke)蝕(shi)(shi)腔(qiang)(qiang)室中(zhong)(zhong)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)上的最(zui)(zui)大(da)(da)(da)離子通量成(cheng)比例。與實際刻(ke)蝕(shi)(shi)配(pei)方(fang)最(zui)(zui)匹配(pei)的模(mo)擬(ni)設(she)置(zhi)將(jiang)在(zai)(zai)(zai)每個成(cheng)比增加的厚度(du)(du)和時(shi)(shi)間上都(dou)具(ju)有與SEM圖(tu)像相(xiang)匹配(pei)的模(mo)擬(ni)輪廓(kuo)（3D模(mo)擬(ni)圖(tu)像）。開發與相(xiang)應的實際刻(ke)蝕(shi)(shi)配(pei)方(fang)相(xiang)匹配(pei)的模(mo)擬(ni)配(pei)方(fang)具(ju)有重大(da)(da)(da)價值，它可用(yong)于預測樣(yang)(yang)品(pin)(pin)的刻(ke)蝕(shi)(shi)時(shi)(shi)間演變(bian)，并使工藝探(tan)索期間在(zai)(zai)(zai)其他應用(yong)和結構中(zhong)(zhong)使用(yong)虛(xu)擬(ni)刻(ke)蝕(shi)(shi)模(mo)型(xing)(xing)成(cheng)為可能。
圖3：模(mo)擬(ni)實(shi)(shi)驗設(she)計(ji)(ji)與延時SEM的(de)(de)比較。模(mo)擬(ni)實(shi)(shi)驗設(she)計(ji)(ji)使用了恒定刻蝕量和不(bu)同的(de)(de)角(jiao)分散(san)（高斯分布的(de)(de)標準差(cha)），進行模(mo)擬(ni)并顯(xian)示增量材料刪除(chu)步驟(zou)失效。右(you)側(ce)的(de)(de)直方圖說(shuo)明(ming)了角(jiao)度(du)分布與軟件中數值設(she)置的(de)(de)相關性（不(bu)按比例）。刻蝕工藝的(de)(de)實(shi)(shi)際角(jiao)分散(san)是(shi)通過找(zhao)到與刻蝕輪廓(kuo)最匹配的(de)(de)模(mo)擬(ni)實(shi)(shi)驗設(she)計(ji)(ji)結(jie)果來確定的(de)(de)。
使用剖面配方優化 SADP 樣品
作為SEMulator3D中可視(shi)性刻(ke)蝕的(de)(de)(de)示例，我(wo)(wo)們(men)將使用剖面的(de)(de)(de)二(er)氧化硅 (SiO2)和(he)氮化硅 (SiN) 刻(ke)蝕工藝模型來確定(ding)確保(bao)SADP柱(zhu)孔(kong)關鍵尺寸的(de)(de)(de)均勻性所(suo)需的(de)(de)(de)最佳原子層沉積(ji) (ALD) 厚度(du)(du)（見圖4）。該樣(yang)品由(you)50nm SiN層和(he)100nm高的(de)(de)(de)碳芯軸(zhou)組成，芯軸(zhou)直徑20nm，水平間距(ju)(ju)80nm。最終目標是使用SADP創建一(yi)個40nm間距(ju)(ju)的(de)(de)(de)孔(kong)陣列。此剖面SiN / SiO2刻(ke)蝕的(de)(de)(de)角分散為0.08，對所(suo)有異物的(de)(de)(de)選擇比(bi)為0.3。使用ALD形(xing)(xing)(xing)成的(de)(de)(de)孔(kong)不對稱(cheng)形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)呈(cheng)現為帶有圓(yuan)(yuan)形(xing)(xing)(xing)開口的(de)(de)(de)菱形(xing)(xing)(xing)，與(yu)在芯軸(zhou)上(shang)形(xing)(xing)(xing)成的(de)(de)(de)圓(yuan)(yuan)柱(zhu)形(xing)(xing)(xing)孔(kong)形(xing)(xing)(xing)成對比(bi)。由(you)于此菱形(xing)(xing)(xing)孔(kong)的(de)(de)(de)大小(xiao)可以通過ALD進(jin)行調整，我(wo)(wo)們(men)需要(yao)確定(ding)ALD的(de)(de)(de)臨(lin)界厚度(du)(du)，刻(ke)蝕過程中這一(yi)厚度(du)(du)的(de)(de)(de)ALD下進(jin)入(ru)此菱形(xing)(xing)(xing)孔(kong)區(qu)域的(de)(de)(de)離子總(zong)量與(yu)進(jin)入(ru)圓(yuan)(yuan)柱(zhu)區(qu)域的(de)(de)(de)離子總(zong)量相(xiang)等，這將帶來相(xiang)等的(de)(de)(de)刻(ke)蝕深(shen)度(du)(du)和(he)形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)。
圖4：孔(kong)陣列上的菱(ling)形(xing)SADP，芯軸直(zhi)徑20nm，水平間距80nm。處于擴張(zhang)的向(xiang)外(wai)沉積形(xing)成了孔(kong)，這些(xie)孔(kong)又形(xing)成菱(ling)形(xing)并(bing)具有(you)圓(yuan)形(xing)開口。使用剖面SiO2刻蝕，可以探索(suo)不同ALD厚度(du)刻蝕孔(kong)的形(xing)狀。
SEMulator3D中可以通過ALD厚(hou)(hou)度(du)(du)實驗設計確定這(zhe)一最佳厚(hou)(hou)度(du)(du)。該模擬的(de)結(jie)果如(ru)圖5所示(shi)，刻蝕(shi)自上而下(xia)的(de)形(xing)狀和底部橫(heng)截面也可見。隨著(zhu)ALD厚(hou)(hou)度(du)(du)的(de)增加(jia)，SiN /基底界面處(chu)的(de)孔(kong)(kong)形(xing)狀從方形(xing)變為(wei)圓(yuan)形(xing)，并且逐漸變小。在足夠的(de)ALD厚(hou)(hou)度(du)(du)下(xia)，菱形(xing)孔(kong)(kong)的(de)尖端可視度(du)(du)有限，這(zhe)會導致較低的(de)刻蝕(shi)速率(lv)且刻蝕(shi)保持圓(yuan)形(xing)。在23.5nm的(de)ALD厚(hou)(hou)度(du)(du)下(xia)得(de)到(dao)了此次(ci)剖面SiO2和SiN刻蝕(shi)工藝最均勻的(de)孔(kong)(kong)形(xing)狀。
結論
SEMulator3D中可視(shi)刻(ke)(ke)蝕(shi)特征提供了一種模(mo)擬(ni)與(yu)現實刻(ke)(ke)蝕(shi)腔室接近的刻(ke)(ke)蝕(shi)速率的方法。SEMulator3D可視(shi)性刻(ke)(ke)蝕(shi)設置，例如角分散(san)和(he)選(xuan)擇(ze)比，可以與(yu)延時SEM圖像進行比較，以驗(yan)證工(gong)藝模(mo)型(xing)。之(zhi)后，該工(gong)藝模(mo)型(xing)可以用來探索刻(ke)(ke)蝕(shi)配方變化對不同(tong)結(jie)構和(he)不同(tong)刻(ke)(ke)蝕(shi)次數的影響，免去實際晶圓制造和(he)測試的時間和(he)成本。