反应离子刻蚀工艺中颗粒异常分析与改善

刘锡锋　何卓航　林婵

摘 要：在使用反应离子刻蚀（RIE）工艺制造集成电路中，金属刻蚀后原介质层产生密集黑色颗粒物。采用了隧道扫描电镜（STM）的方法，对样片进行观测分析，结果表明该黑色颗粒为碳化后的胺类副产物。通过对反应过程的分析研究，确定了该问题产生的原因。为了解决该问题，在不改变工艺压力和温度的情况下，调整射频功率来提高反应效率。调整完成后进行了实验验证，结果表明该方法切实有效，颗粒问题得到了明显改善。

关键词：反应离子刻蚀 隧道扫描 颗粒问题 胺类副产物 射频功率

Analysis and Improvement of Particle Abnormalities in Reactive Ion Etching Process

Liu Xifeng He Zhuohang Lin Chan

Abstract：In the manufacture of integrated circuits using reactive ion etching （RIE） technology， dense black particles are produced in the original dielectric layer after metal etching. Using the tunnel scanning electron microscope （STM） method， the sample was observed and analyzed， and the results showed that the black particles were carbonized amine by-products. Through analysis and research on the reaction process， the cause of the problem was determined. In order to solve this problem， the RF power was adjusted to improve the reaction efficiency without changing the process pressure and temperature. After the adjustment was completed， the experimental verification was carried out， and the results showed that the method was effective and the particle problem was significantly improved.

Key words：reactive ion etching， tunnel scanning， particle problem， amine by-products， radio frequency power

1 引言

集成電路制造是集成电路产业必不可少的一环，但由于其发展速度快，涉及学科广而深，产业投入巨大，因此我国的集成电路制造业长期落后于国际集成电路制造业同行。近年来随着需求的增加和社会关注度提高，国内集成电路制造生产线不断壮大[1，2]。反应离子刻蚀是集成电路制造工艺的重要工艺步骤，它的工艺质量直接决定了最终芯片的性能[3-5]。颗粒问题是反应离子刻蚀中影响较大的异常。要解决该问题首先要清楚颗粒问题产生的原因。但根据国内外已有文献的研究，反应离子刻蚀中颗粒问题的原因较多，有温度压力等反应条件异常造成的生成物颗粒[6，7]，也有反应过程中由于设备真空度所引入的环境颗粒[8]。因此遇到颗粒异常需要具体问题具体分析。在某集成店电路工艺过程中，反应离子刻蚀步骤发生了黑色颗粒问题，为了解决该问题，文章对颗粒进行了分析，并进行了实验验证。

2 反应离子刻蚀机制原理

反应离子刻蚀（RIE）是集成电路制造工艺中刻蚀工艺的一种，它具有各向异性、刻蚀均匀性好、刻蚀线宽损失小等特点。特别适用于对刻蚀精度要求高的低线宽工艺场合。除此之外，它还能够方便实现终点控制，不会导致过腐蚀而影响工艺质量[5]。

反应离子刻蚀工艺所涉及到的刻蚀质量主要有刻蚀速率、刻蚀均匀性等。其中刻蚀速率比较关键，往往许多刻蚀工艺过程中出现的问题都与刻蚀速率有关。刻蚀速率公式如下：

（1）

式（1）中RV为刻蚀速率，其为时间函数，Tox为膜层厚度，t为时间。

3 颗粒问题特征及分析

集成电路制造工艺是一个复杂的过程，中间的任何环节、步骤或工艺条件出问题都会导致工艺产生质量问题。在分析和处理工艺质量问题时通常会从操作人员、工艺材料本身、工艺条件（如温度、压力等）、工作环境（如空气净化等级）、设备和工艺过程等因素切入分析。

在某公司一款0.18um工艺反应离子刻蚀工艺过程中，在进行常规的刻蚀工艺后原片表面检查步骤时，通过高倍显微镜镜检查发现，金属刻蚀后原介质层产生密集黑色颗粒物。其结果如下图1所示。

根据该现象，考虑该异常可能的原因有：介质层平坦化不足、金属刻蚀残留、设备腔体污染、工艺条件偏差等。经过设备情况、工艺前后步骤、材料分析等检查后，并未排查出导致黑色颗粒的真正原因，也就是说这三个因素可以排除。

工艺流程和参数是否合理时工艺质量的关键，它直接决定了工艺质量的好坏。有必要重点考虑该黑色颗粒可能由工艺条件不匹配导致，即工艺菜单中温度、压力、电流强度等参数需要调整。为此，首先对芯片进行了扫描隧道显微镜分析，如图2所示。

从图2可能看出，颗粒物具有与周边材料完全不同的外观特征，根据形貌分析应为某种碳化物或者空气中的悬浮颗粒沉积。由此可以判断，颗粒物材质应该不是刻蚀残留或者光刻胶未去尽。其来源只能是设备问题或设备导致的真空问题引起，也可能是由于反应不完全导致的副产物所致。根据设备检查结果已经可以排除前两种可能，因此锁定问题原因为反应刻蚀不完全导致的副产物。整个刻蚀反应过程唯一可能导致生成碳化物的为酰胺类反应物，故判断该颗粒为反应过程中，未完全反应的酰胺反应物产生的胺类碳化副产物。