BCB厚度的在片监测与控制方法及装置与流程

本发明属于半导体集成电路器件和工艺领域，具体涉及一种bcb厚度的在片监测与控制方法及装置。

背景技术：

以半导体器件为基础的电子工业是世界上最大的工业。当前，半导体器件的尺寸已进入到纳米级，为缩小电子系统的体积、重量和提高可靠性，电路的集成度越来越高，布局越来越复杂，互联布线的层数也越来越多。

单片微波集成电路(mmic)是一种把有源和无源器件制作在一片半导体基片上的微波电路。尽管mmic从外观上看，复杂程度比其他集成电路低，但能产生最高的工作频率，广泛应用于军事和航天领域。hbt器件具有跨导高、阈值特性好、可多层布线的优点，可制备thz波段(0.3-3thz)紧凑型模拟电路。inphbt的量子阱和p型区具有高电子迁移率，异质结带隙差有利于载流子限制，能够高掺杂实现低接触电阻。同时，inphbt集电极材料的带隙较宽，在ft有更高的击穿电压和更大的驱动电流，适于thz波段的功率放大。小型化后的inphbt功率密度高、集成度高，可实现多功能的thz集成电路(tmics)。

在mmic电路主流的平坦化工艺中，苯并环丁烯(bcb)材料具有良好的平坦化性能、电绝缘性能、热稳定性和低介电常数，能够隔绝潮气、阻挡扩散，被广泛应用于芯片组件的多层互联间隔、应力缓冲、钝化和封装工艺等。常规的台阶测试监控bcb层厚度的方法，需要构造特定的bcb台阶，具有结构复杂、对样品有破坏性、测量速度慢、测量精度受残余层和台阶仪误差影响等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种bcb厚度的在片监测与控制方法及装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种bcb厚度的在片监测与控制方法，包括：

在外延片上制备监控图形；

将bcb胶旋涂在基片表面并加热固化；

采用微区反射干涉法测试bcb层厚度；

采用干法刻蚀工艺对bcb层进行刻蚀，重复测试监控区域的bcb厚度。

一种bcb厚度的在片监测与控制装置，包括：

带监控图形的晶圆片；

旋涂固化在晶圆上的bcb层；

测量材料折射率和消光系数的椭偏仪；

监测厚度的微区反射式干涉膜厚仪；

控制厚度的感应耦合等离子体刻蚀机。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明利用特定的bcb监控图形，在片监控不同区域不同工艺阶段的bcb层厚度，提升平坦化的监控精度和效率；(2)所设计的监控图形为圆形或方形，方便加工，芯片的损失面积最小；(3)通过椭圆偏振测试，获得bcb材料的精确值，来建立反射干涉模型，可避免探针台阶测试的破坏性和复杂性，测量速度快、准确率高，工艺简单；(4)本发明方法获得的bcb膜层厚度能与台阶测试和扫描电子显微镜的剖面测试数据相吻合，又具备监控区域广、成本低、简单快速的特点，适用于生产制造过程中多步骤、多区域bcb厚度的监控。

附图说明

图1为实施例2中步骤1)得到的bcb厚度监控结构示意图。

图2为实施例2中步骤2)得到的bcb厚度监控结构示意图。

图3为实施例2中步骤3)得到的bcb厚度监控结构示意图。

图4为实施例2中步骤4)得到的bcb厚度监控结构示意图。

图5为实施例2中步骤5)得到的bcb厚度监控结构示意图。

图6为实施例2中步骤7)得到的bcb厚度监控结构示意图。

图7为实施例2中步骤6)和步骤8)得到的bcb厚度监控结构的俯视示意图。

图8为实施例2中步骤6)和步骤8)得到的bcb厚度监控测试示意图。

其中：1代表外延片基底，2代表光刻胶层，3代表金属ti层，4代表bcb层，5代表测试反射谱的物镜，6代表计算机。

具体实施方式

本发明提出了一种采用光学反射干涉在片监控bcb厚度的优化方法，可对bcb厚度进行快速无损的原位高精度监控，进而实现了bcb孔链成品率的提升。主要是依据固化的bcb材料的折射率n和消光系数k的精确值，建立bcb材料在不同材料衬底上的光学干涉模型，通过干涉条纹的峰-峰拟合，能快速精确的解算出测量位置的bcb厚度。通过在晶圆上加入特定的监控图形，实现多步工艺、多区域厚度的精确监控，有效提高了对关键工艺的控制能力。

一种bcb厚度的在片监测与控制方法，采用监控图形与光学反射干涉测试相结合的方式，方便快速，测量精度高，控制能力好，该方法包括：

(1)在外延片上制备监控图形；

(2)将bcb胶旋涂在基片表面并加热固化；

(3)采用微区反射干涉法测试bcb层厚度；

(4)采用干法刻蚀工艺对bcb层进行刻蚀，重复测试监控区域的bcb厚度。

其中，监控图形的制备方法为：

对基片进行清洗甩干，在表面旋涂光刻胶；

用深紫外光刻工艺在胶层上曝光显影，将版图上的监控图形转移至胶层；

监控图形的材料为介质、金属或半导体薄膜，用蒸发剥离工艺制备监控图形的金属薄膜，用干法刻蚀工艺制备监控图形的半导体薄膜，用气相沉积工艺制备监控图形的介质薄膜；

用湿法溶液去除残余的光刻胶层，用干法打胶清洁基片表面。

进一步的，采用椭偏仪测量材料折射率和消光系数，采用膜厚仪获得监控图形区域的反射谱，进行峰值拟合，解算出bcb厚度，材料包括外延片、监控图形、bcb胶。

进一步的，所述外延片为inphbt外延片，监控图形为方形或圆形，bcb层采用旋涂固化制备，厚度采用干法刻蚀控制。

进一步的，所述监控图形的材料为介质、金属或半导体薄膜，边长或直径为10um-100um，厚度为10nm-800nm。

进一步的，金属薄膜选用ti或au层，外延薄膜选用ingaas或inp层，介质薄膜选用sio2或si3n4。

进一步的，bcb胶旋涂在基片表面，在充氮烘箱中进行加热固化。

本发明还提供一种bcb厚度的在片监测与控制装置，包括：

(1)带监控图形的晶圆片；

(2)旋涂固化在晶圆上的bcb层；

(3)测量材料折射率和消光系数的椭偏仪；

(4)监测厚度的微区反射式干涉膜厚仪；

(5)控制厚度的感应耦合等离子体刻蚀机。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例1

一种inp-hbt工艺中bcb厚度的在片监测与控制方法，其步骤包括：

(1)对基片进行清洗甩干，在表面旋涂光刻胶，胶层具有高分辨率且易剥离；光刻胶层选用az1500或az5214，胶层厚度为1um-8um；

(2)用深紫外光刻工艺在胶层上曝光显影，将版图上的监控图形转移至胶层；所设计的监控图形为圆形或方形，直径或边长为10um-100um。

(3)用蒸发剥离工艺制备监控图形的金属薄膜，用干法刻蚀工艺制备监控图形的外延薄膜，用气相沉积工艺制备监控图形的介质薄膜；

所述金属膜层选用ti或au，厚度为10nm-800nm，外延膜层选用ingaas或inp，厚度为10nm-500nm，介质膜层为si3n4或sio2，厚度为50nm-500nm，湿法去胶选用dmf溶液；

(4)用湿法溶液去除残余的光刻胶层，用干法打胶清洁基片表面；

(5)将bcb胶旋涂在基片表面，在充氮烘箱中进行加热固化；bcb胶层选用3022-35非光敏型，初始厚度范围在1um-5um；

(6)用膜厚仪获得监控图形区域的反射谱，进行峰值拟合，解算出bcb厚度；

(7)用干法刻蚀工艺对bcb层进行刻蚀，重复测试监控区域的bcb厚度；所述bcb层厚度的控制通过刻蚀时间来调节，最终厚度范围在100nm-3um。

本发明的检测与控制方法空间分辨率高、响应快速、厚度精准、样品无损。

实施例2

如图1-8所示，一种inp-hbt工艺中bcb厚度的在片监测与控制方法，其步骤包括：

1)选择inphbt外延基片1，用丙酮、异丙醇和去离子水清洗后，在洁净室用高纯氮气吹干，在基片表面旋涂4um厚的光刻胶2，如图1所示，

2)利用深紫外光刻技术曝光显影，将光刻版上的监控图形转移到光刻胶层，如图2所示；

3)利用电子束蒸发工艺，在光刻胶表面蒸发厚约10nm的金属ti层3，如图3所示；

4)利用丙酮浸泡基片，剥离金属层，将监控图形转移到金属ti层3，如图4所示；

5)将2um厚的bcb胶旋4涂在基片表面，在充氮烘箱中加热至250℃，持续2小时后，冷却至室温取出，如图5所示；

6)在膜厚仪物镜5视野下寻找晶圆上的监控图形，对准图形中央，测量并记录反射谱，利用计算机6对反射谱进行峰值拟合，解算出对应图形表面的bcb厚度；

7)利用等离子体刻蚀技术，通入sf6和o2的混合气体，对bcb层进行刻蚀，如图6所示，o2流量为10±2sccm，sf6流量为10±2sccm，功率为30w，压强为10mtor，刻蚀时间为5min；

8)重复步骤6)，测量并记录监控图形上bcb的厚度，如图7、图8所示。

实施例3

该实施例步骤与实施例2相比，其区别在于选择的薄膜材料为si3n4介质，具体方法为：

1)选择inphbt外延基片，用丙酮、异丙醇和去离子水中清洗后，在洁净室用高纯氮气吹干，在基片表面生长100nm的si3n4介质；

2)旋涂光刻胶层，利用曝光显影，将监控图形转移到光刻胶层；

3)利用干法刻蚀工艺，将监控图形从光刻胶层转移至si3n4介质层；

4)将2um厚的bcb胶旋涂在基片表面，在充氮烘箱中加热至250℃，持续2小时后，冷却至室温取出；

5)在膜厚仪物镜视野下寻找晶圆上的监控图形，对准图形中央，测量并记录反射谱，对反射谱进行峰值拟合，解算出对应图形表面的bcb厚度；

6)利用等离子体刻蚀技术，通入sf6和o2的混合气体，对bcb层进行刻蚀，o2流量为10±2sccm，sf6流量为10±2sccm，功率为30w，压强为10mtor，刻蚀时间为5min；

7)重复步骤5)，测量并记录监控图形上bcb的厚度。