半导体刻蚀工艺的晶圆背面颗粒研究

唐在峰++吴智勇++任昱

摘 要：半导体制造过程中，干法刻蚀工艺需要晶圆背面与设备接触，把晶圆固定和支撑住，掌握晶圆背面颗粒状态对半导体工艺制程相当重要。本文主要研究前段刻蚀工艺后晶圆背面颗粒的状态、对工艺制程的影响以及降低这种影响的方法。前段刻蚀工艺由于稳定性、精确性和准确性的高要求，需要在每片晶圆作业完后对刻蚀腔体进行自身清洁和聚合物再淀积，以此来保证每片晶圆都有一致的刻蚀环境，刻蚀腔体中的静电吸盘（ESC）表面会覆盖聚合物，此聚合物的反应对温度非常敏感，由于ESC本身硬件的特性，表面聚合物淀积不均匀，造成与其接触的晶圆背面颗粒数很高。对其他晶圆正面造成严重的影响，分析晶圆背面颗粒在设备传输过程中的变化，通过优化晶圆冷却装置和冷却时间，有效地降低晶圆背面颗粒对其他晶圆正面的影响。

关键词：半导体制造 晶圆 背面 干法刻蚀 颗粒

中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（c）-0098-04

半导体制造过程中，晶圆正面是电路图形，晶圆背面为光片，在工艺制程的最后被研磨掉大部分，容易被忽视，实际上在半导体制造的工艺过程中，晶圆背面不可避免地直接接触到各类设备的平台，经过各道工序后，晶圆背面的颗粒状态也在不断地变化中，这些颗粒变化会交叉影响到晶圆正面的电路，掌握晶圆背面的颗粒状态有利于降低此类影响。

本文主要研究半导体制造工艺中的等离子体刻蚀工艺，其中主要对前段刻蚀工艺后晶圆背面颗粒状态做深入研究。前段刻蚀工艺指的是接触孔之前的工艺，一般有浅沟槽刻蚀、多晶硅栅极刻蚀、栅极边墙刻蚀等；而这些刻蚀工艺在整个半导体制程中都是举足轻重的，所有的物理参数和电性参数都密切相关，对刻蚀设备的稳定性提出很高的要求，导致每片晶圆刻蚀完后刻蚀腔体会进行自清洁和聚合物再淀积，以此来保证每片晶圆都有一致的刻蚀环境，这类先进方法的负作用就是使晶圆背面的颗粒状态变得复杂化。

首先观察前段刻蚀前后晶圆背面颗粒的变化并对晶圆背面颗粒进行成分分析，找到晶圆背面颗粒形成原因；接着评估刻蚀后晶圆背面颗粒的变化对工艺制程的影响；最后通过硬件和工艺的优化，有效地解除此类影响。

1 前段刻蚀后晶圆背面颗粒的状况

对前段刻蚀前后晶圆背面进行表面扫描，图1是刻蚀前后晶圆背面扫描的结果，从影像图中看到，刻蚀后的晶圆背面较刻蚀前出现明显的变化，晶圆背面出现了很多不明颗粒。晶圆背面颗粒数目在刻蚀工艺后急剧增加，从原本的几千颗增加到了十几万颗，其中大尺寸颗粒比重很高，刻蚀工艺前晶圆背面颗粒大小集中在1μm以下，但是刻蚀工艺后颗粒尺寸主要集中在1～3μm。

1.1 前段刻蚀后晶圆背面颗粒成分分析

通过扫描电镜对干法刻蚀工艺后晶圆背面颗粒进行检测和分析，如图2所示，晶圆背面1～3μm尺寸的颗粒呈长条状，颗粒的状态是一部分聚合在一起，一部分发散开来。聚合状态的颗粒与晶圆背面黏附性较强，离散状态的颗粒与晶圆背面黏附性较弱，存在掉落的风险。颗粒以硅元素为主，含有部分氧元素，同时也含有微量的氯元素，是刻蚀反应后的生成物。

1.2 前段刻蚀后晶圆背面颗粒的来源

针对前段刻蚀后晶圆背面颗粒的来源，先从前段干法刻蚀设备进行分析，图3是前段干法刻蚀设备的简单示意图，干法刻蚀设备是单片作业模式，晶圆正面在刻蚀过程中固定在静电吸盘（ESC）上，吸盘呈圆形，通过在吸盘上加电压，在晶圆与吸盘间产生电场，通过静电吸住晶圆，在整个刻蚀过程中与晶圆背面整片接触，导致晶圆背面颗粒状态发生变化，即静电吸盘是晶圆背面颗粒原来的载体。

分析刻蚀作业的模式，在刻蚀过程中ESC由于有晶圆在上方挡着，不会与等离子体直接接触。但是前段刻蚀工艺对刻蚀设备的稳定性要求很高，需要每片晶圆刻蚀完后腔体进行自清洁和聚合物再淀积，以此来保证每片晶圆的刻蚀环境一致，腔体自清洁和聚合物再淀积时ESC会如图3所示，完全暴露在等离子体下，再淀积聚合物会覆盖在ESC表面，如图4所示。

分析图4中ESC上的聚合物的组成部分，下面是设备再淀积步骤的完全反应公式，主要是SiCl4和O2的反应：

SiCl4（g）+O2（g）——>SiO2（s）+2Cl2（g） （1）

但是由于是在高能的等离子状态下，反应生成物不是以单一物质SiO2和Cl2存在，实际会发生聚合反应，存在的状态是聚合物SinOn+xCl2（n-x） （x=-1～24），与图2晶圆背面颗粒的成分相同，同时这种聚合物在等离子体状态下又会发生解理反应，如公式（2），在淀积的过程中解理和聚合反应会达到动态平衡：

SinOn+xCl2（n-x）——> SiCl4+Sin-1On+xCl2（n-x-2） （2）

圖4显示ESC上聚合物的厚度不均匀，表面也较粗糙。由于刻蚀工艺的需求，刻蚀腔体内ESC的温度需要得到有效的控制和调节，图5是ESC温度控制区域的示意图，ESC有两个控温区，控温区有加热器，控温区一是一个直径为66.3mm的圆盘，控温区二是内径为106.9mm，外径为130mm的圆环，在控温区一和控温区二之间是热传导区域，没有加热器，通过热传导来控制温度，在两个控温区与热传导区的交界线上会出现上下1℃的温差。刻蚀腔体再淀积过程是一个没有离子轰击能量的纯化学反应，因此对温度的变化相当敏感，控温区交界线上的温差会造成等离子状态下聚合物SinOn+xCl2（n-x）解理和聚合的动态平衡发生变化，造成ESC表面聚合物沉积厚度不均、表面粗糙、性质不够致密，形成颗粒，当晶圆背面与其接触时，容易黏附上此类颗粒，加上静电吸附作用，在晶圆背面吸附大量的颗粒。

2 晶圆背面颗粒工艺制程中的影响

晶圆背面颗粒是先进刻蚀工艺带来的产物，晶圆完成刻蚀工艺后，传输过程中一般是边缘通过3个支点进行支撑，晶圆的背面会完全暴露出来，传输过程中晶圆背面的离散颗粒由于黏附力渐渐变弱以及静电的缓慢释放，在重力的作用下往下掉落，整个传输过程中，两种情况下会出现晶圆堆栈的现象，即上方晶圆背面的颗粒掉落在下方晶圆的正面，造成下方晶圆正面的污染，这两种情况分别是冷却装置内和载片器内的晶圆堆栈。endprint

2.1 晶圆背面颗粒在冷却装置内的影响

刻蚀后晶圆表面温度高，在刻蚀工艺完成后会进入设备端的冷却装置进行冷却，图6为前段刻蚀设备使用的冷却装置照片，由于采用的是自然冷却方式，冷却装置内没有复杂的电气化设备，内部只有4个栏位可同时放置和冷却4片晶圆，也是通过3点支撑，同时在冷却装置的侧面有一个排气口，排走刻蚀后晶圆表面的残留气体。

当出现上下两个栏位同时有晶圆进行冷却，冷却时间为2min，上方晶圆背面的离散颗粒会掉落至下方晶圆的正面，下方晶圆的表面被严重污染。在冷却装置内，由于晶圆堆栈式放置，相邻的两片晶圆中，上方晶圆背面的离散颗粒会造成下方晶圆正面的大面积污染。冷却装置配置4个放置晶圆的栏位，其中位置1，位置2，位置3这3个栏位被污染风险高。

2.2 晶圆背面颗粒在载片器内的影响

晶圆在刻蚀工艺传输末端即冷却工艺完成后，传输回载片器，一般载片器可以放置25片晶圆，晶圆堆栈在载片器内，上方晶圆背面完全暴露在下方晶圆正面，上方晶圆背面的离散颗粒会掉落至正下方的晶圆表面上。如图8实验所示，当晶圆不经过冷却装置，直接进入载片器内，下方晶圆的正面出现大量的颗粒。从下方晶圆表面颗粒的分布来看，呈现两个同心圆的形状，这个形状和位置与图5中的ESC控温区的边界一致，由于热传导区与温控区的交界线上存在上下1℃的温差，这部分温差会破坏聚合物SinOn+xCl2（n-x）的动态平衡，形成厚度不一，表面粗糙，性质疏散的大颗粒，当上方晶圆黏附了这部分颗粒后，在载片器内，随着黏附力的下降以及静电缓慢释放，晶圆背面的颗粒直接掉落到下方晶圆的表面，不会发生较大的位移，从而形成同心圆的分布。

2.3 相邻两片晶圆堆栈时间的影响

刻蚀工艺完成后，每片晶圆在冷却装置内或载片器的时间各不相同，研究相邻两片晶圆堆栈的时间，确认晶圆背面颗粒在冷却装置和载片器内的影响程度。图9是相邻两片晶圆在载片器内放置时间与下方晶圆表面颗粒变化趋势图，载片器内相邻两片晶圆放置时间30s后，下方晶圆的表面已经出现上百颗颗粒，当放置时间达到120s，往下掉落的晶圆背面颗粒数已经接近4000多，即在载片器内相邻两片晶圆放置时间越长，处于下方的晶圆表面受影响会越大，同理在冷却装置内，相邻两片晶圆冷却时间越长，晶圆背面颗粒影响程度越深。

3 降低晶圆背面颗粒影响的方法

通过降低晶圆背面颗粒的影响来保证半导体工艺制程的稳定性。前文已经分析了晶圆背面颗粒在冷却装置和载片器内的影响，主要是相邻两片晶圆中，上方晶圆对下方晶圆的影响，降低此影响一种方法是物理隔绝相邻的两片晶圆，这个在冷却装置内可以实现。另一种方法是利用冷却装置内的排风系统，通过增加冷却装置栏位间距来增大晶圆背面颗粒被排气口抽走的能力。由于载片器无法做相应改造，这两种方法都需要晶圆在冷却装置内放置充足的时间，保证晶圆背面的离散颗粒已全部掉落，再次进入载片器后不会发生掉落的现象。

3.1 冷却装置的栏位间增加挡板

解决相邻两片晶圆背面颗粒影响的方法是对两片晶圆进行物理隔绝，在冷却装置内可以实现此方案：把冷却装置的4个栏位改为7个栏位，相邻两片晶圆中间错开一个栏位，错开的栏位放置隔板，共需要3块，即在栏位2/4/6处放置，由于相邻两片晶圆间有挡板，因此上方晶圆背面的离散颗粒只会掉落在挡板上，不会影响下方晶圆正面，解决了冷却装置内晶圆间互相影响的可能，再通过增加冷却时间，尽可能保证晶圆背面的离散颗粒全部掉落在挡板上，降低载片器内晶圆间互相影响的风险。当然冷却装置内的挡板需要定时维护和清洗，保证挡板上的颗粒不会在工艺制程中发生二次污染。

3.2 放大冷却装置中栏位间距抽走晶圆背面颗粒

晶圆背面颗粒的影响，主要是脱离晶圆背面的离散颗粒造成的，这些颗粒会从晶圆背面往下掉落，冷却装置的侧面具有排风系统，可以利用此排风系统，在晶圆背面颗粒掉落到下方晶圆之前，把这些颗粒从排风系统中抽走，避免颗粒掉落到下方晶圆上。图11是冷却装置栏位间距离对晶圆背面颗粒影响的实验，图中演示了当冷却装置内栏位间距从16mm增加到48mm后，相当于侧面排风的截面积增大，排风能力得到加强，晶圆背面的离散颗粒可以有效的随着气流方向被排走。图12是相邻两片晶圆冷却时间2min的情况下，下方晶圆表面被污染的实验结果，当冷却装置栏位间距被放大到48mm时，落在下方晶圆表面的颗粒数迅速下降，可见晶圆背面的颗粒已经被完全的排走了。同理保证晶圆背面掉落的颗粒在冷却装置内被充分的抽走，就可以避免这些颗粒在载片器内的影响。

4 结语

半导体制程中的晶圆背面虽然没有电路，但是晶圆背面颗粒的状况对晶圆正面的图形同样会带来严重的影响。本文分析了前段刻蚀工艺后晶圆背面颗粒的变化，当晶圆固定在刻蚀设备中的静电吸盘上时，晶圆背面与静电吸盘的表面紧密的结合在一起，而静电吸盘上的聚合物（先进刻蚀工艺特点）由于性质较疏松，容易黏附和靜电吸附在晶圆的背面，形成较大的颗粒；晶圆在后续的传输过程中，随着离散颗粒黏附性的减弱以及静电的释放，会往下掉落，分别在冷却装置和载片器内掉落在正下方晶圆的表面，对晶圆正面的图形造成影响；通过冷却装置的改造，在相邻两个栏位间增加隔板，对上下两片晶圆进行物理隔绝或者增大冷却装置内晶圆间距来增强冷却装置的排气能力，解决晶圆背面颗粒在冷却装置内的影响；同时延长冷却时间，在冷却装置内完成晶圆背面颗粒的掉落过程，降低晶圆背面对载片器的影响，成功保证了半导体工艺制程的稳定性，减少了产品的报废。

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