在特征依赖蚀刻期间加速干燥蚀刻过程的开发

在干法蚀刻中，由于与气体分子和其他随机热效应的碰撞，加速离子的轨迹是不均匀的，非垂直的（图1）。这对蚀刻结果产生了影响，因为晶片上任何点处的蚀刻速率将根据散装室和该角度范围的离子通量而变化。这些不均匀和特征相关的蚀刻率在半导体过程设计期间使蚀刻配方的开发复杂化。在本文中，我们将描述如何通过使用可见性蚀刻建模来补偿干蚀刻的挑战性方面semulator3d.^®。

图1A：2D表示室内随机行驶的中性气体。气体的角度行进方向在图中描绘的所有方向上同样地填充（图1B）。在图1B中，我们示出了带正电的离子和带负偏置的晶片。由于电场，离子将被向下加速;然而，由于随机热效应和与其他离子或气体分子碰撞，不会实现完美的垂直轨迹。角速度分布可以近似为高斯函数（图1B）。

角度依赖蚀刻

确定材料蚀刻速率（ER）的最简单方法是测量实际蚀刻之前和之后的橡皮布晶片的材料厚度。在蚀刻过程中使用扁平晶片确保局部区域内的所有位置具有相同的暴露开口角和离子磁通，这应该导致可以测量的均匀蚀刻速率（图2a）。在特征依赖性蚀刻期间确定该蚀刻速率，例如蚀刻沟槽和硬掩模时，由于不同的蚀刻角和这些特征内的离子通量而不可能。Semulator3D能够使用其“多蚀刻”功能来模拟这种类型的蚀刻。该软件测量任何给定点的暴露的固体角，并计算与暴露的固体角度范围内的离子磁通分布成比例的归一化蚀刻量（图2c）。假设在入射角上的离子磁通分布是具有特征标准偏差的高斯。

图2A：在扁平晶片表面上，每个位置（A，B，C，D）完全暴露于腔室（打开角度等于180）并在所有方向上接收离子的全部通量。图2B：在凹坑和沟槽（E，F）的底部，减小了腔室的视线内的角度范围。可以将蚀刻速率缩放为角度范围内的分布的积分（垂直线之间的曲线下的阴影区域）

分析蚀刻配方

用于给定蚀刻室设定（RF功率和压力设置）的离子角扩展可以使用时间流失的蚀刻样品的SEM图像经验地确定。虚拟室内的“虚拟”结构可以随后在Semulator3D中建模。通过改变角度扩展，可以在此模型中运行虚拟DOE，直到虚拟蚀刻建模结果与实际的SEM映像配置文件匹配。在图3中，将蚀刻样品的假设时间流逝SEM与垂询3d中的几个厚度失效模拟模型进行比较，示出了各种角度扩展值的蚀刻形状和深度。Semulator3D中的厚度设置描述了在对散装室具有完全可见性的区域中的最大理论材料去除。该设置将与实际蚀刻室中的样品上的最大离子通量成比例。最佳匹配实际蚀刻配方的仿真设置将具有模拟配置文件（3D仿真图像），其与每个比例厚度和时间步长匹配的SEM图像匹配。开发与相应的实际蚀刻配方匹配的仿真配方非常有价值。它可用于预测采样内的蚀刻时间演变，并且可以在过程探索期间在其他应用程序和结构中使用虚拟蚀刻模型。

图3：模拟DOE VS时间流逝SEM的比较。模拟DOE使用恒定的蚀刻量，具有不同的角度扩展（高斯分布的标准偏差）。进行了模拟，并显示增量材料去除步骤失效。正确的直方图说明了与软件内的数值设置（不缩放）的角分布相关性。通过找到最佳匹配蚀刻轮廓的模拟DOE结果来确定蚀刻工艺的实际角度扩展。

使用分析的配方来优化SADP样本

作为Semulator3D中可见性蚀刻的示例，我们将使用分布的SiO2和SIN蚀刻工艺模型来确定保证SADP支柱的孔CD均匀性所需的最佳ALD厚度（图4）。该样品由50nm的SIN层和100nm高碳芯轴组成。心轴直径为20nm，并且水平间距为80nm。最终目标是使用SADP创建40 nm音调孔阵列。成型的SIN / SiO2蚀刻的角度扩散为0.08，选择性为0.3，适用于所有异物。由ALD形成的孔的不对称形状采用具有圆形开口的金刚石形状，与在心轴处形成的圆柱孔形成对比。由于该菱形孔的尺寸可以通过ALD调节，因此我们需要确定避震期间进入该金刚石孔区域的总离子的总离子等于进入汽缸区域的离子的临界厚度。这应该导致相同的蚀刻深度和形状。

图4：孔阵列上的钻石Sadp。心轴的直径为20nm，并且在水平方向上分隔80nm。通过膨胀向外沉积形成的孔形成金刚石形状并具有圆形开口。使用异形的SiO2蚀刻，可以探索蚀刻孔的形状，用于各种ALD厚度。

在Semulator3D中进行ALD厚度DOE以确定这种最佳厚度。该模拟的结果如图5所示，具有蚀刻的顶部下落和底部横截面可见。随着ALD厚度的增加，SIN /衬底界面处的孔形状从正方形变为圆形并且尺寸逐渐减小。在足够的ALD厚度下，菱形孔的CUSP具有有限的可视性，从而导致低蚀刻速率和蚀刻保持圆形。ALD厚度为23.5nm，对该特定的异形SiO2和SIN蚀刻工艺表示最均匀的孔形状。

图5：ALD厚度依赖性和层蚀刻。使用SiO 2（蓝色）和SIN（绿色）的异形各向异性蚀刻，可以使用不同的ALD厚度来确定所得到的孔形状。使用先前验证的Semulator3D可见性蚀刻模型，以23.5 nm ALD值找到了最佳状态。

结论

Semulator3D中的可见性依赖蚀刻功能提供了一种模拟类似于实际蚀刻室中的蚀刻速率的方法。Semulator3D可见性蚀刻设置，例如角度扩展和选择性，可以与时间流逝SEM图像进行比较，以验证过程模型。然后，可以使用过程模型来探索蚀刻配方变化对不同结构和变化蚀刻时间的效果，而无需实际晶片制造和测试的时间和费用。