《炬丰科技-半导体工艺》IC 制造中的 HF 浓度控制

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：IC 制造中的 HF 浓度控制

编号：JFKJ-21-774

作者：炬丰科技

摘要

   硅表面蚀刻二氧化硅层是湿法加工技术中最关键的步骤之一。尽管已经进行了大量的研究来分析这些过程的机理和动力学，但是很少注意监测和控制过程浴中的化学浓度。为了获得一致性和更具成本效益的集成电路制造，化学浓度控制对于晶片加工变得至关重要。本文演示了如何使用电导率传感器来监控HF蚀刻溶液的浓度。已经研究了蚀刻副产物对电导率测量的影响。一旦蚀刻副产物被表征和说明，结果表明可以获得更稳定的蚀刻过程，并且甚至在存在蚀刻副产物的情况下也可以延长槽寿命。

介绍

    如果对化学浓度进行精确和连续的控制，蚀刻槽的寿命可以延长更长的时间。与化学浓度的标准分析技术相比。近红外、紫外光谱学，电导池提供了快速、非常经济、实时的HF浓度控制。如果温度保持恒定，并且保持HF溶液的电导率，二氧化硅的蚀刻速率也可以被精确控制。

   无电极电导率传感器用于精确监控硅表面热氧化物蚀刻过程中氢氟酸的浓度。然而，蚀刻副产物会影响线性电导率-浓度关系。当在稀氢氟酸浴中蚀刻厚氧化层时，这种效应会被放大。必须进行校正，将二氧化硅的蚀刻量与电导率的变化联系起来。结果表明，这些技术适用于监控集成电路制造环境中的刻蚀速率。

实验

    为了测试蚀刻工艺特性，将许多50个氧化物晶片浸入HF浴中3小时，没有去离子水或HF注入，随后冲洗并干燥。开发了在特定系统设置下电导率对蚀刻时间的特征曲线，并将其用作控制方案的关键参数。

对于新算法评估的测试，在HF浴中处理一批50个氧化物晶片，然后冲洗并干燥。在没有化学变化的情况下，重复该过程序列23次测试运行。每次运行的化学处理时间为25分钟，估计在新鲜的氢氟酸浴中蚀刻出560厚度的氧化物。然而，每次运行的实际蚀刻速率是使用椭偏仪测量测试晶片的氧化物厚度变化而获得的。控制系统被激活，让系统在需要的时候达到峰值。

结果和讨论

      结果表明，蚀刻副产物对电导率和HF浓度的线性关系有影响。由于氟化氢在反应中被消耗掉了，所以当晶片被引入镀液中时，电导率应该会下降。然而，如图1所示，观察到电导率随着在浴中蚀刻的二氧化硅的量而增加，而氧化物蚀刻速率下降.通过将50个氧化物晶片长时间浸入0.5%的HF浴中并监测电导率的变化，再次证实了这一观察结果，如图所示2。可以计算二氧化硅的量，并且可以模拟电导率与溶解的二氧化硅的量的关系，如图所示3。

过程表征

   如图2和3所示，很明显，不管氧化物蚀刻消耗的HF如何，镀液的电导率都随着处理时间而增加。晶片两侧溶解的二氧化硅的质量可以计算如下:

质量= (π/4) × D2 × (t × 2) × ρ × N，其中t = ER ×时间(1)其中D为晶圆直径；t是晶圆一侧去除的氧化物厚度(可以通过平均刻蚀速率(er)乘以时间得到)，ρ是热氧化物的密度，N是正在处理的晶圆数量。利用该方程，可以将处理时间转换为溶解的二氧化硅质量，然后可以绘制电导率与二氧化硅质量的关系图(图。3). 使用线性回归分析，电导率增量的拟合数据的斜率估计为97.5 S/cm⋅g，它将作为指定当前传感器设置和测试条件下的过程特性的关键参数。

修改后的控制方案的评估

     通过将合适的K值结合到算法中，HF槽的工艺参数(例如尖峰间隔和持续时间以及上/下电导率控制带)的调整将变得对维持用于氧化物蚀刻的稳定HF浓度很重要。在目前的实验过程中，去离子水的补充是最常见的。槽液的损失主要是由于液体蒸发和产品/载体的拖曳。前者是在恒定浴温下的时间相关过程，而后者将由固定载体和批量(表面积)的生产量决定。估计浴的蒸发速率约为130毫升/小时。而产品/载体带走的液体估计为每批70毫升。无论何时需要，这些值加上约7毫升/秒的高频峰值速率，将为某些特定过程设置的确定提供基线。

分析

溶液的总摩尔电导率是基于无限稀释溶液中每个离子各自的电导率贡献。当溶液变得更浓时，离子间的相互作用增加。这些相互作用，以及其他物质(主要是HF2-、H+和F-)的存在，导致1:100 HF:H2O混合物的观测(测量)电导率值约为6200 S/cm。然而，很明显，新混合溶液的电导率主要基于H+的浓度，或者在这种情况下，存在于50升溶液中的0.6摩尔。

结论

结果表明，与没有浓度控制的常规工艺相比，受控的氟化氢工艺得到了显著改善。蚀刻副产物的影响与氟化氢电导率的变化相关，必须在控制方案中加以考虑。当在稀氢氟酸溶液中蚀刻厚氧化物时，镀液电导率相对于氢氟酸浓度的线性特性会受到溶解离子产物积累的显著影响。发现有必要发展浴电导率和蚀刻氧化物量之间的经验关系。已在生产工具上对所开发的算法进行了验证测试，以在延长的HF槽寿命中保持稳定的蚀刻速率。现场实验证明了新算法在7天的槽寿命内实现585±2.5%蚀刻率的有效性。然而，不建议将槽寿命延长到7天以上，因为1)有在槽中积聚大量污染物的风险，以及2)蚀刻氧化物的质量和槽电导率之间的线性假设可能被打破。