SJ制造工艺中光刻对准问题的改进方法.doc

SJ 制造工艺中光刻对准问题的改进方法俞乃霖*（上海交通大学微电子学院，上海 200030）5101520253035摘要：本文基于 Super Junction(SJ)结构高电压功率半导体，阐述了如何利用光刻工艺形成SJ 的特殊结构，分析了其特殊器件结构造成的光刻工艺难点。说明如何利用光刻工艺的对准方式简化 SJ 工艺流程，以及简化流程后由于外延工艺对光刻对准标记造成影响的问题。针对这些问题，利用光刻机对光刻对准标记的识别精度和稳定度实验，研究外延工艺中温度和压力对刻蚀深度对光刻对准标记的影响。通过实验确定的外延和刻蚀的工艺条件得到了最佳的对准精度和稳定度，并且缩短了 SJ 结构高电压功率半导体的工艺流程，从而节省了成本。关键词：Super Junction 高电压功率半导体；光刻对准；外延和刻蚀工艺中图分类号：TN386.1Litho Alignment Improvement in SJ devics processYU Nailin(Microelectronics School, Shanghai Jiaotong University, ShangHai 200030)Abstract: This paper is base on the Super Junction(SJ) structure HV Power Semiconductor device.Elaborate how to use Litho process to manufature SJ structure, analysis the difficulties in Lithoprocess which caused by the special structure of SJ semicondutor. Illustrate how to simplify SJprocess flow through Litho alignment improvement, and the EPI process affect to Litho alignmentmark caused by this simplification. Use Litho stepper tool to confirm the precision and stability ofLitho alignment mark, and to study the affect of the temperature and pressure in EPI process andEtch depth to Litho alignment mark. This experiment defined the best process condition of EPIand Etch to most precise and stable Litho alignment mark, it also shortened SJ struction HV powersemicondutor process flow and save the manufature cost.Keywords: Super Junction (SJ) HV Power Semiconductor device; Litho Alignment; EPI and Etchprocess0 引言随着半导体工艺技术的不断发展，功率 MOSFET 的性能不断提高。如：高电压功率MOSFET，其高电压可达到 1000V，同时低导通电阻阻值仅 10m。高电压功率 MOSFET主要被应用于功率开关，它需要同时具备相当低的动态功耗和静态功耗。这样一来，器件必须有低输入电容和低输出电容以及低导通电阻。1 如何从半导体制程工艺技术上优化高电压功率 MOSFET 的性能呢？如今较为常见的 Super Junction 工艺很好的解决了这些问题，相对于标准的功率 MOSFET，它通过改进制程工艺技术实现芯片面积减小，从而达到高转换速度和低功耗的目标。下图直观地反映了 Super Junction(SJ)工艺的特点：作者简介：俞乃霖，（1983-），女，工程师，半导体制造工艺。 E-mail: -1-40455055图 1 SJ HV MOSFET 工艺和标准 HV MOSFET 工艺结构截面图对比Figure1 Process comparison between SJ HV MOSFET and standard HV MOSFET我们可以看到，和标准 HV MOSFET 的结构相比，Super Junction 结构在 P-well 下面做了很深的 P-column，这样可以在高电压下（VDD500V）得到更低的导通电阻，和非工作状态更高的截止电阻2。通过以上对 Super Junction(SJ) 工艺特殊性的分析，我们可以看到这种工艺对提高器件性能的优势，然而，和普通的标准工艺方法相比，它在实际生产制造中会产生很多新的工艺问题。在本实验中，我们要研究的就是 SJ 工艺对光刻的对准带来的问题和解决方法。1 SJ 制造工艺特点SJ 制造工艺的特殊性直接导致了光刻工艺的难点，我们来通过一系列的示意图分析一下其制造工艺的特点。如图 2、图 3、图 4 所示，P-column 的形成需要通过很多次的 外延 光刻 注入的循环才能实现。除了外延和注入环节的工艺控制问题外，这里我们主要讨论的是每一层外延和注入之间的光刻的对准问题。图 2 单次外延 光刻 注入 工艺截面图Figure2 Single EPI Litho Implant Process Cross Section图 3多次外延 光刻 注入 工艺截面图60Figure3 Multiple EPI Litho Implant Process Cross Section65图 4 最终通过多次注入形成的 SJ 结构截面图70Figure4 Final SJ structure cross section after multiple implant-2-由于 SJ 结构最终是要将每一次的在外延层上的注入连通，所以必须保证每一次的注入位置控制在比较严格的范围内，约 300nm 之内。然而，我们惯用的通过同一个对准标记（Alignment Mark）实现整套前道工艺的方法在这里是不适用的。因为光刻机的对准标记只能承受 10m 外延厚度对它的影响，然而，SJ 工艺的外延次数可能达到 68 次，厚底达到75约 50m。图 5 中经过两次外延后的对准标记已经非常模糊，远超出了光刻机可以辨认的范围，其后果会导致光刻机 Reject，无法进行工艺.即使可以工艺，也会造成工艺后前后层图形的套偏问题。3 此外，用于精确测量当前层与前层光刻图形对准偏移量的量测标志（OverlayBox）也因为受到了外延的影响而严重变形，无法量测偏移数据。如图 6 所示。80正常光刻对准标记Normal Litho Alignment Mark第一次外延后的光刻对准标记Litho Alignment Mark after first EPI第二次外延后的光刻对准标记Litho Alignment Mark after second EPI图 5 外延厚度对光刻对准标记的影响Figure5 The thickness of EPI affect on the Litho Alignment Mark859095图 6 两次外延后的光刻测量标记Figure6 The Litho Overlay Box after 2 times of EPI2 光刻对准问题改进和工艺流程优化根据实验结果，要保证光刻的对准的稳定性和可行性，对准标志最多只能承受一次外延。这样的话，就需要在每次外延之后都增加一次对准标记的光刻，从而保证每一次的外延都准确对准。虽然这样简单地解决了光刻对准和量测问题，然而整个工艺流程必然非常地冗长繁琐。如果可以通过改进工艺方法来保证两次外延后的光刻，那样就大大地简化了工艺流程，节约了成本。以 7 次外延的 SJ 工艺流程计算，总共可以节省四次对准图形的光刻流程。经过分析，影响光刻图形质量的因素除了光刻本身，主要来自外延工艺和刻蚀工艺。 外延的厚度和质量直接影响到对准标记的形变，而刻蚀深度影响到图形的清晰度。2.1.1外延工艺温度与压力实验通过简单地控制外延工艺温度和压力的实验，我们得到的结论是：温度越高，图形质量越好；压力越大，图形质量越差。4我们得到的实验和结论，如表 1 所示：100-3-表 1 不同外延工艺条件实验与结果Tab. 1 The experiment and result with different EPI process condition105外延条件 2 光刻对准标记Litho Alignment Mark of EPI process condition2外延条件 3 光刻对准标记Litho Alignment Mark of EPI process condition3图 7外延结果对比图Figure7 The comparison picture of different EPI result110从图 7 中可以看到最佳和最差的实验条件得到的结果。左边的第二组实验结果得到的图形质量要远好于第三组实验结果。由此我们得到的第二组工艺条件是最佳的，对准标记的图形质量是最好的，所以我们确定了外延条件#2 作为最终的工艺条件。2.1.2对准标记的刻蚀深度实验1200A 的标记深度是我们标准工艺统一的深度，我们通过不同外延次数和不同刻蚀深度115120做了分组实验，如表 2 中，可以看到没有外延的常规衬底下，它的对准标志是图形最清晰的。然而，在 SJ 工艺中由于外延的影响，我们标准的 1200A 深度的对准标记完全变形模糊，无法做对准。而 12000A 的刻蚀深度下的对准标记在两次外延之后仍然比较清晰，可以作光刻对准。5表 2 不同刻蚀深度和外延次数的对准标记Tab. 2 The Alignment Mark with different Etch Depth and EPI times根据实验结果，我们将刻蚀深度由标准的 1200A 调整到 12000A。1252.1.3外延厚度与刻蚀深度的交叉实验实验中的对准标记刻蚀深度从 1200A 到 12000A，一共分了 5 个不同深度，外延工艺分为 7.5m+7.5m 长两次外延和 7.5m+7.5m+7.5m 长三次外延两种，并在实验中排除了不-4-Etch THK1200A12000AEPINO EPI1st EPI2nd EPINO EPI1st EPI2nd EPIMarkAlignmentOKNGNGOKOKOK同机台的差异。表 3 不同刻蚀深度和外延次数的曝光测试结果130135Tab. 3 The exposure experiment result of different Etch Depth and EPI times从表 3 的实验结果，红色代表不能成功完成对准并曝光，绿色代表可以成功对准和曝光。我们可以看到三层外延的光刻对准结果不如两层外延，而对准标记深度越深，光刻对准结果越好。从实验结果中，我们的工艺条件应该选用两次外延做一次新的对准标记来保证完成对准曝光的成功率，并同时将刻蚀深度刻到 12000A。2.1.4实验结果总结通过以上一系列的实验，我们通过对外延条件的实验，确定了最佳的外延工艺条件。在光刻的部分，我们通过实验确认了越多的外延次数对光刻对准曝光的影响越大；加深刻蚀深140145150155度可以提高对准标记的辨识度。并且综合两种因素，最终确定了最佳的光刻工艺条件：12000A 的刻蚀深度，两次外延后做一次新的对准标记。3 结论本文我们讨论了 Super Junction 结构 Power MOSFET 器件在制造工艺中遇到的问题。需要解决的是多层外延工艺的光刻对准问题。在实验中，我们研究了如何通过改变外延的厚度，以及光刻对准标记的刻蚀深度等方面解决光刻对准难题及提高对准精度。经过实验我们找到了最好的工艺条件，并最终成功从每次外延都需要一次光刻减少到没两次外延一次光刻，成功地地减少了 4 次光刻。本实验完成了 Super Junction 工艺流程优化，提高了产能并实现了节约生产成本的最终目标。参考文献 (References)1 何希才 ; 尤克 . 最新功率半导体器件应用技术 . 1995. 机械工业出版社 . 国际标准书号 (ISBN):7-111-04263-82 胡涛 ; 李泽宏 ; 张波.Design of a 900 V Super Junction VDMOS. ISSN: 1004-33653 李运锋 ; 王海江 ; 韦学志 ; 宋海军 .Alignment System wit