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浅槽隔离工艺(STI)

已有 963 次阅读 2024-6-15 22:01 |个人分类:化学机械抛光|系统分类:科研笔记

CMP可应用于半导体器件制造的前道工艺(FEOL),中道工艺(MOL)后道工艺(BEOL)。EOL阶段CMP的重要工艺是浅沟槽隔离(STI),MOL阶段CMP的重要工艺是钨接触层抛光和层间介质(ILD)抛光工艺,在 BEOL 阶段 CMP,Cu、TaN/Ta 或其他线的去除工艺很重要。今天我们着重介绍的是浅沟槽隔离工艺STI(shallow trench isolation)。STI通常用于0.25um以下工艺,通过利用氮化硅掩膜经过淀积、图形化、刻蚀硅后形成槽,并在槽中填充淀积氧化物,用于与硅隔离。

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下面详细介绍浅沟槽隔离工艺:1. 晶圆选择重掺P+型衬底,晶向为<100>,电阻率为0.01 Ω·cm;其中轻掺P-型外延,晶圆正面覆盖一层2μm厚硅,电阻率为14 Ω·cm,然后利用先用Piranha+HF+SC1+SC2清洗晶圆,其中Piranha用来去除有机物;HF用来去除二氧化硅;SC1用来去除颗粒物;SC2用来去除金属离子。然后用热氧化工艺在P-型外延层上生成厚度为100 Å的衬垫层(Pad Oxide)以缓解后续氮化硅对晶圆造成的不良影响,以及同时隔离层保护有源区在去掉氮化物的过程中免受化学沾污(因为氮化硅是一种具有较强应力的薄膜材料,且硅和氮化硅具有不同的热膨胀和收缩系数,氮化硅不能直接沉积在硅表面。否则当晶圆受热或冷却时,膨胀或收缩都可能会造成晶圆内部出现位错

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2. 掩模版形成:衬垫层制作好后,首先在其之上使用化学气相沉积(CVD)形成一层厚度为1200Å的氮化硅,作为后续化学机械研磨(CMP)工艺的停止层;其次,利用CVD在氮化硅上面再沉积一层厚度为2000Å的无定型碳(Amorphous Carbon)作为硬掩膜(Hard Mask);再次,在硬掩膜上覆盖一层厚度为500Å的底部防反射涂层(BARC);最后,旋涂一层厚度为3000Å的光刻胶并做软烤

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3. 硬掩膜图案化:硅晶圆通过透明石英制成的光罩暴露于193nm的紫外光下,该光罩上绘制有铬质图案,由于其对紫外线不透明,因此可以实现硬掩膜的图案化;硬掩膜图案化后,硅晶圆需要通过软烤使光刻胶具备结构的完整性。然后将光刻胶曝光并显影,曝光后再经紫外烘烤(PEB)来形成光刻胶图案,并将光刻胶转变为耐抗刻蚀的交联亚酰化物质;使用高度各向异性刻蚀去除BARC和硬掩膜。由于光刻胶不受刻蚀的影响,可以保护其下方的材料,去除光刻胶和BARC,留下图案化的硬掩膜。

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4. 浅槽形成: 首先,利用硬掩膜并通过各向异性刻蚀氮化硅、氧化物并深入硅外延层,形成浅槽(Trench)。一旦刻蚀到达硅表面,需要通过改变刻蚀机的压力和气体参数,使刻蚀过程中各向异性减少,从而实现沟槽侧壁5~15°倾斜。剥离硬掩膜并在Piranha中清洗晶圆;之后使用P/HF/SC1/SC2清洗晶圆,在浅槽表面生长100Å厚的二氧化硅层。这种氧化层被称为浅槽衬垫(Trench Liner),它有助于缓解浅槽上下角周围的硅应力。氮化硅起到扩散屏障的作用,阻止二氧化硅在其下方的生长。

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5. 浅槽填充:使用P/SC1/SC2中清洗氧化物表面,通过CVD沉积厚度为4000Å的正硅酸乙酯(TEOS)氧化物。CVD的优点是可以快速沉积较厚的氧化物,但缺点是沉积物不如氧化生长的物质致密。因此需要将晶圆在1000°C下加热20分钟,以使TEOS致密,更耐湿法刻蚀。CMP抛光,其中氮化硅作为停止层。抛光后,晶圆在P/SC1中清洗,CMP抛光,其中氮化硅作为停止层。抛光后,晶圆在P/SC1中清洗。接下来,将晶圆浸入氢氟酸中去除衬垫层。在此过程中会优先去除浅槽角落的氧化物,因为这些区域承受压力,刻蚀速度更快。这将导致沿着沟槽的两侧产生缺口(Notch),这可能在后续工艺中引起问题。在P/SC1/SC2中清洗晶圆,生长50Å厚度的牺牲氧化层(Sac Ox),也是起到屏蔽的作用

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