碳化硅和二氧化硅之間穩(wěn)定性的刻蝕選擇性

摘要

磷酸(H3PO4) -水(H2O)混合物在高溫下已被使用多年來(lái)蝕刻對(duì)二氧化硅(二氧化硅)層有選擇性的氮化硅(Si3N4)。生產(chǎn)需要完全去除Si3N4，同時(shí)保持二氧化硅損失最小。批量晶片清洗的挑戰(zhàn)是如何保持Si3N4對(duì)二氧化硅的高蝕刻選擇性，以獲得更長(zhǎng)的槽壽命。

實(shí)驗(yàn)表明，增加浴中水的濃度導(dǎo)致更高的選擇性:蝕刻更多的Si3N4和更少的二氧化硅。隨著水濃度監(jiān)測(cè)器和水脈沖裝置的安裝，浴缸能夠控制水濃度。每個(gè)產(chǎn)品批次后化學(xué)浴的部分更換降低了溶解硅的濃度。H2SO4的加入節(jié)省了初始調(diào)節(jié)時(shí)間。通過(guò)所有的努力，鍍液以高選擇性開(kāi)始，并保持這種選擇性以延長(zhǎng)鍍液壽命。

介紹

通常用于濕批清洗，Si3N4在熱H3PO4浴中去除。這主要用于去除局部氧化掩模(LOCOS)，其下具有二氧化硅作為應(yīng)力消除層。常規(guī)獲得40∶1的選擇性，這對(duì)于該方法來(lái)說(shuō)是足夠的。如今，淺溝槽隔離是更普遍的應(yīng)用，其中Si3N4層被用作CMP(化學(xué)機(jī)械平坦化)停止層。在該步驟中，使用化學(xué)機(jī)械拋光來(lái)去除晶片的形貌，并且在該工藝之后必須去除氮化硅層。二氧化硅層暴露在這一點(diǎn)上，最大限度地減少這些層的二氧化硅損失至關(guān)重要。因此，必須抑制二氧化硅層的蝕刻速率，提高氮化硅對(duì)二氧化硅蝕刻速率的選擇性。這產(chǎn)生了對(duì)高選擇性氮化硅蝕刻工藝的需求。

實(shí)驗(yàn)裝置

使用200毫米Si3N4和二氧化硅晶片。Si3N4晶片的兩面都有5 K厚的Si3N4膜，它們用于蝕刻速率評(píng)估和產(chǎn)品批次的模擬。一個(gè)產(chǎn)品批次等于在50個(gè)晶圓的兩側(cè)去除1500個(gè)Si3N4。二氧化硅晶片的兩面都有二氧化硅薄膜。Si3N4和二氧化硅薄膜用魯?shù)婪騍300橢圓儀以49個(gè)點(diǎn)和5毫米的邊緣排除進(jìn)行測(cè)量。Si3N4在某一點(diǎn)的重復(fù)誤差低于1.0，二氧化硅低于0.5.在測(cè)試時(shí)從槽中收集化學(xué)樣品，并通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜分析元素硅濃度。

結(jié)果和討論

水含量影響二氧化硅的蝕刻速率和氮化硅的蝕刻速率。圖2描繪了Si3N4和二氧化硅在與圖1所示測(cè)試相同的浴中隨水濃度變化的蝕刻速率.水浴中的水濃度為3、7.8、10和14%，峰值分別為每?jī)煞昼?、8、10和14秒。圖2(a)顯示，隨著水濃度從3%變化到14%，Si3N4蝕刻速率從46.4增加到68.2/分鐘。圖2(b)顯示，隨著水濃度從3%變化到14%，二氧化硅蝕刻速率從2.12降低到1.42/分鐘。

圖4顯示了不同溫度下的穩(wěn)定水濃度。結(jié)果表明，在150、155、160和165℃時(shí)，水濃度分別穩(wěn)定在17.7、16.6、15.4和14.0%，去離子水峰值為14秒/兩分鐘。該浴在較低的溫度下具有較高的水濃度。

圖7顯示了生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這些測(cè)試是在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行的，在生產(chǎn)環(huán)境中，一個(gè)產(chǎn)品批次相當(dāng)于在50個(gè)晶圓的兩面去除2200個(gè)Si3N4。這意味著累積的220 kSi3N 4蝕刻量等于一個(gè)產(chǎn)品批次蝕刻量，如圖7所示.在槽壽命開(kāi)始時(shí)，在H3PO4中加入一定量的H2SO4。采用去離子水沖加和加料放氣兩種裝置。圖7顯示Si3N4和SiO2蝕刻速率分別以49.2/分鐘和0.07/分鐘開(kāi)始，速率保持在50.6英寸/分鐘，平均為零，在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)歷了8個(gè)產(chǎn)品批次及以上。

圖7。穩(wěn)定的Si3N4和二氧化硅蝕刻速率。通過(guò)在H3PO4浴中初始加入H2SO4以及進(jìn)料和出料裝置和阿迪水脈沖裝置的操作，蝕刻速率可保持較長(zhǎng)的生產(chǎn)時(shí)間。

結(jié)論

在用熱H3PO4蝕刻Si3N4時(shí)，保持穩(wěn)定的選擇性是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們的實(shí)驗(yàn)表明，需要控制水含量、降低硅濃度和調(diào)節(jié)浴中的初始H3PO4化學(xué)物質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)的穩(wěn)定選擇性。帶有近紅外光譜儀的阿迪水刺儀有助于控制水含量。加料和放氣裝置降低了浴中的硅濃度。在H3PO4中加入H2SO4節(jié)省了浴的初始調(diào)節(jié)。通過(guò)所有實(shí)施的改變，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的Si3N4和二氧化硅蝕刻速率。實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)測(cè)試都表明，阿克里翁的GAMA批處理工具能夠以高選擇性開(kāi)始，并在長(zhǎng)時(shí)間的Si3N4蝕刻生產(chǎn)中保持穩(wěn)定的選擇性。
審核編輯：湯梓紅