在干法刻蝕中，由于與氣體分子的碰撞和其他隨機(jī)熱效應(yīng)，加速離子的軌跡是不均勻且不垂直的（圖1）。這會(huì)對(duì)刻蝕結(jié)果有所影響，因?yàn)榫A上任何一點(diǎn)的刻蝕速率將根據(jù)大體積腔室可見的立體角和該角度范圍內(nèi)的離子通量而變化。這些不均勻且特征相關(guān)的刻蝕速率使半導(dǎo)體工藝設(shè)計(jì)過程中刻蝕配方的研發(fā)愈發(fā)復(fù)雜。在本文中，我們將論述如何通過在SEMulator3D?中使用可視性刻蝕建模來彌補(bǔ)干法刻蝕這一方面的不足。
圖1a：中性氣體在腔室內(nèi)隨機(jī)流動(dòng)的二維展示。氣體的行進(jìn)角度在圖中描繪的所有方向上均等分布（圖1a）。圖1b：顯示了帶正電的離子和一個(gè)帶負(fù)電的晶圓。離子會(huì)因電場而向下加速；然而，由于隨機(jī)熱效應(yīng)和與其他離子或氣體分子的碰撞，完美垂直軌跡無法實(shí)現(xiàn)。角速度分布可以近似為高斯函數(shù)（圖1b）。
角相關(guān)刻蝕
確定材料刻蝕速率（ER）最簡單的方法是在實(shí)際刻蝕前后測量晶圓的材料厚度。在刻蝕過程中使用平面晶圓可確保局部區(qū)域內(nèi)的所有位置具有相同的張角和離子通量，這將帶來可測量的統(tǒng)一刻蝕速率（圖2a）。由于不同的刻蝕角度和不斷變化的離子通量，在特征相關(guān)的刻蝕過程、例如溝槽和硬掩膜刻蝕中，確定該刻蝕速率是不可能的。SEMulator3D能夠使用其“多刻蝕”功能模擬此類刻蝕。該軟件可測量任意給定點(diǎn)的可見立體角并計(jì)算與該立體角范圍內(nèi)離子通量成比例的常態(tài)刻蝕量（圖2c）。入射角的離子通量分布被假定為具有標(biāo)準(zhǔn)差的高斯分布。
圖2a：在平面晶圓表面，每個(gè)位置（A、B、C、D）完全暴露在腔室中（開口角為180°），并且接收各個(gè)方向的全部離子通量。圖2b：在凹坑和溝槽（E、F）底部，腔室視線內(nèi)的角度范圍減小。刻蝕速率可以表示為角度范圍內(nèi)的分布積分（垂直線之間曲線下的陰影區(qū)域）。
刻蝕配方剖析
給定刻蝕腔室設(shè)置（射頻功率和壓力設(shè)置）的離子角分散可以憑經(jīng)驗(yàn)用延時(shí)刻蝕樣品的掃描電鏡（SEM）圖像確定，隨后可以在SEMulator3D中模擬出虛擬腔室內(nèi)的“虛擬”結(jié)構(gòu)。虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以在此模型中運(yùn)行——通過改變角分散，直到虛擬刻蝕建模結(jié)果與實(shí)際SEM圖像輪廓相匹配。圖3展示的是，在SEMulator3D中將刻蝕樣品的虛擬延時(shí)SEM與幾個(gè)不同厚度的模型進(jìn)行了比較，顯示不同角分散值下的刻蝕形狀和深度。SEMulator3D中的厚度設(shè)置說明的是在大體積腔室具有完全可視性的區(qū)域內(nèi)理論上最大的材料去除。該設(shè)置將與實(shí)際刻蝕腔室中樣品上的最大離子通量成比例。與實(shí)際刻蝕配方最匹配的模擬設(shè)置將在每個(gè)成比增加的厚度和時(shí)間上都具有與SEM圖像相匹配的模擬輪廓（3D模擬圖像）。開發(fā)與相應(yīng)的實(shí)際刻蝕配方相匹配的模擬配方具有重大價(jià)值，它可用于預(yù)測樣品的刻蝕時(shí)間演變，并使工藝探索期間在其他應(yīng)用和結(jié)構(gòu)中使用虛擬刻蝕模型成為可能。
圖3：模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與延時(shí)SEM的比較。模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用了恒定刻蝕量和不同的角分散（高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差），進(jìn)行模擬并顯示增量材料刪除步驟失效。右側(cè)的直方圖說明了角度分布與軟件中數(shù)值設(shè)置的相關(guān)性（不按比例）。刻蝕工藝的實(shí)際角分散是通過找到與刻蝕輪廓最匹配的模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果來確定的。
使用剖面配方優(yōu)化 SADP 樣品
作為SEMulator3D中可視性刻蝕的示例，我們將使用剖面的二氧化硅 （SiO2）和氮化硅 （SiN） 刻蝕工藝模型來確定確保SADP柱孔關(guān)鍵尺寸的均勻性所需的最佳原子層沉積 （ALD） 厚度（見圖4）。該樣品由50nm SiN層和100nm高的碳芯軸組成，芯軸直徑20nm，水平間距80nm。最終目標(biāo)是使用SADP創(chuàng)建一個(gè)40nm間距的孔陣列。此剖面SiN / SiO2刻蝕的角分散為0.08，對(duì)所有異物的選擇比為0.3。使用ALD形成的孔不對(duì)稱形狀呈現(xiàn)為帶有圓形開口的菱形，與在芯軸上形成的圓柱形孔形成對(duì)比。由于此菱形孔的大小可以通過ALD進(jìn)行調(diào)整，我們需要確定ALD的臨界厚度，刻蝕過程中這一厚度的ALD下進(jìn)入此菱形孔區(qū)域的離子總量與進(jìn)入圓柱區(qū)域的離子總量相等，這將帶來相等的刻蝕深度和形狀。
圖4：孔陣列上的菱形SADP，芯軸直徑20nm，水平間距80nm。處于擴(kuò)張的向外沉積形成了孔，這些孔又形成菱形并具有圓形開口。使用剖面SiO2刻蝕，可以探索不同ALD厚度刻蝕孔的形狀。
SEMulator3D中可以通過ALD厚度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定這一最佳厚度。該模擬的結(jié)果如圖5所示，刻蝕自上而下的形狀和底部橫截面也可見。隨著ALD厚度的增加，SiN /基底界面處的孔形狀從方形變?yōu)閳A形，并且逐漸變小。在足夠的ALD厚度下，菱形孔的尖端可視度有限，這會(huì)導(dǎo)致較低的刻蝕速率且刻蝕保持圓形。在23.5nm的ALD厚度下得到了此次剖面SiO2和SiN刻蝕工藝最均勻的孔形狀。
結(jié)論
SEMulator3D中可視刻蝕特征提供了一種模擬與現(xiàn)實(shí)刻蝕腔室接近的刻蝕速率的方法。SEMulator3D可視性刻蝕設(shè)置，例如角分散和選擇比，可以與延時(shí)SEM圖像進(jìn)行比較，以驗(yàn)證工藝模型。之后，該工藝模型可以用來探索刻蝕配方變化對(duì)不同結(jié)構(gòu)和不同刻蝕次數(shù)的影響，免去實(shí)際晶圓制造和測試的時(shí)間和成本。
