划重点：

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摘要：利用300mm制造工厂的硅光子学平台是一个不断增长的领域。随着对节能数据中心、先进量子计算架构和AR/VR的需求推动前进，这一趋势将持续下去。GlobalFoundries处于先进光子学平台实施的最前沿，最近宣布正在与行业领导者合作，提供创新、独特、功能丰富的解决方案，以解决当今数据中心面临的一些最大挑战。

在本文中，我们研究了通常用于先进逻辑和存储器的工艺制造技术对光子学波导均匀性改善和光滑化的影响。部分重点将放在图案化工艺本身，研究等离子体VUV固化、直流叠加和区域选择性沉积对光刻胶对下游线边缘粗糙度和线宽粗糙度的影响。我们还将回顾氮化硅薄膜均匀性和顶部粗糙度光滑化对最终波导光学性能的影响。虽然硅光子学特征远大于逻辑特征，但实现所需光学性能的工艺要求是严格的，将需要创新解决方案来持续降低光学损耗。

关键词：光子学，波导，光滑化，等离子体刻蚀，GCIB，位置特定处理

#2：a向 bto外延片

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#3:C向 bto外延片

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引言

半导体行业对数据中心、超级计算机和集成电路中互连带宽的需求持续快速增长。GlobalFoundries硅光子学技术利用先进节点300mm CMOS制造工艺，实现更高容量、更低成本和更高能效的互连。

GlobalFoundries单片硅光子学平台利用基于Si和SiN的无源组件，覆盖近红外中的两个主要波长范围，用于电信波段（O波段1260 nm~1360 nm和C波段1530 nm~1565 nm）。这些无源器件的主要功能是路由、耦合、偏振处理和波长滤波，它们是先进硅光子学芯片和光子集成电路（PIC）的基本构建模块（Bian等人，2020）。

这些无源器件中的高效光限制使得特征尺寸减小，进而实现光学电路的紧凑化。更大器件紧凑性引入的主要工艺裕度是对特征界面表面散射损耗的增强敏感性，这主要由这些器件的表面粗糙度驱动。随器件紧凑性增加而增加的次要工艺敏感性是器件的关键尺寸（CD）和厚度均匀性。在本研究中，我们侧重于表征和改善由图案化工艺中非理想性驱动的侧壁粗糙度或线边缘粗糙度（LER），以及构成无源光子器件的薄膜的顶部表面粗糙度和晶圆内厚度均匀性。

硅波导光滑化

来料样品

硅光子学测试载体晶圆由GlobalFoundries纽约州马耳他的300 mm工艺提供。来料样品的临界尺寸扫描电子显微镜（CDSEM）测量在光刻显影后进行，以确定波导尺寸、线宽粗糙度（LWR）和线边缘粗糙度。从这些晶圆上切割单芯片样品用于工艺开发。本研究中使用的波导测试载体来料CD为380 nm，总长度约100 μm。掩模的开口区域估计在80-90%之间。

光刻胶光滑化

选择样品在等离子体刻蚀前进行光刻胶（PR）光滑化和硬化。光滑化技术包括VUV固化（Azarnouche等人，2012）、直流叠加（DCS）（Honda & Yatsuda，2012）、SiO₂的区域选择性沉积（ASD）（Toshiharu, Chia-Yun, Akiteru, & Biolsi，2019）、碳氢化合物沉积与氟碳修整交替（Dep/Trim），以及图案化表面上SiO₂的保形原子层沉积（ALD）（Honda等人，2016）。通过未刻蚀样品的CDSEM测量确定等离子体前PR光滑化的影响。

等离子体刻蚀工具和工艺

刻蚀实验使用300 mm工业刻蚀平台进行。样品使用硅油粘附到PR载板晶圆上以实现热传导。波导堆叠和工艺流程如图1所示。底部抗反射涂层（BARC）和介电硬掩模开口在单一步骤中使用Ar/氟碳混合物进行。PR光滑化产生的任何沉积物也在此步骤中被刻蚀。使用SO₂/O₂基等离子体将图案转移到旋涂有机薄膜上。SiN和SiO₂硬掩模在连续步骤中使用不同的Ar/氟碳混合物进行刻蚀。绝缘体上硅层使用Ar/HBr混合物进行刻蚀，然后原位灰化去除剩余的旋涂有机薄膜。

图1：隔离Si波导结构的堆叠刻蚀。

工艺表征

样品的CDSEM测量（刻蚀前和刻蚀后）使用Hitachi CG4100配合定制样品架进行，以兼容样品。图像采集使用加速电压800 V、电流8 pA。图像采集时特征垂直取向，使用矩形像素，x和y方向放大倍数分别为150k和49k。所有CDSEM图像使用Fractilia MetroLER软件进行分析。分析中排除顶部35像素和底部15像素，以去除图像边缘的任何伪影。直波导段将产生18张独特图像用于批量平均。样品经Pt涂覆并使用Sela 600i Microcleaver切割，以对波导结构进行横截面成像。横截面使用Hitachi S-5500 SEM成像，测量在2 kV、10 µA下进行。

实验结果

对未刻蚀样品应用光滑化技术，以量化这些技术在通过等离子体刻蚀进行图案转移之前的影响。结果汇总见图1。在所有情况下，光滑化技术的实施使PR的测量LER比来料改善了10%以上。固化技术（VUV、DCS）和封装技术（Dep/Trim、ASD、ALD）都没有表现出持续更好的性能。

图2：光刻胶层面光滑化处理对波导结构的影响。黄线表示MetroLER确定的特征边缘位置。

堆叠刻蚀配方的开发通过在每个层面进行时间分割来确定每一步对图案转移和CD偏差的影响。所有开发工作都在未应用光滑化的样品上进行。堆叠刻蚀配方未针对光滑化技术进行调整，以更好地理解光滑化技术对CD偏差的影响。在BARC/介电硬掩模和旋涂有机层面进行了分割，以确保PR的硬化或封装不会在图案转移到SiN硬掩模之前留下意外残留物。

图3：代表性CDSEM及MetroLER拟合（黄色）在堆叠刻蚀各阶段：(a) 来料，(b) BARC-介电硬掩模开口后，(c) 旋涂有机后，(d) SiN后（灰化后）。堆叠刻蚀后(e) 无处理，(f) ALD，(g) VUV+ALD。

在开发过程中每个分割点也获取了横截面SEM（XSEM）图像，以确保在掩模转移过程中实现最小锥度。轮廓中锥度的形成在SiN刻蚀过程中最为强烈，并转移到Si中，导致最终轮廓角度为81-82°。代表性SEM横截面见图4。

图4：刻蚀后Si波导的横截面（原位灰化后，无湿法清洁）。可见SiN帽层构成特征顶部区域。

PR上应用光滑化对最终波导结构的影响汇总于图5。包括未应用PR光滑化的堆叠参考刻蚀以供比较。所有光滑化技术相对于参考刻蚀均如预期改善了侧壁粗糙度。

图5：光滑化处理对刻蚀后波导结构的影响。

更有趣的是，ASD和ALD在等离子体刻蚀后的性能相比PR层面测量的光滑化效果有显著改善。一种可能的解释是，由于特征最边缘（二次电子发射最高）处SiO₂和PR之间的对比度问题，CDSEM测量中不易区分填充特征粗糙部分的沉积物。这种对比度缺乏同样可以解释Dep/Trim和DCS相对适度的增益，其中处理过和未处理PR之间的对比度应最小，处理的全部效果可在PR层面测量。

同样获取了光滑化样品的横截面，以确认光滑化技术对锥度角没有影响。发现锥度角对光滑化不敏感，对下方氧化物的刻蚀凹陷程度也是如此。这两者都令人担忧，因为MetroLER的拟合过程将较亮区域的外边缘识别为特征边缘，如图5所示。如果锥形Si轮廓与下方氧化物之间的界面引入了波导侧壁上不存在的任何额外随机粗糙度，则CDSEM可能高估侧壁粗糙度。

通过在等离子体刻蚀前在PR层面顺序组合光滑化技术，实现了LER的进一步降低。选择结果汇编于图6，重点放在ASD和ALD组合上，因为它们在单次处理中表现良好。观察到几种趋势，主要是许多组合处理相对于单独的单次处理元素仅提供了微小的LER降低。对此的解释因所采用的技术类型（即固化vs封装）以及先前优化使其作为单次处理表现出色而异。例如，DCS+ALD和ASD+ALD组合的较差表现可以理解为ASD和DCS后PR化学成分的改变与ALD前驱体对衬底类型的敏感性相结合。

图6：组合PR光滑化工艺对波导边缘粗糙度的影响。优化工艺（绿色）与未优化组合（橙色）遵循相同的上方x轴标签。标签中技术的顺序表示处理顺序。

同时，当ALD作为组合添加时，VUV固化和Dep/Trim留下主要为碳氢化合物的表面，更接近原生PR。虽然VUV和Dep/Trim+ALD优于单独的VUV或Dep/Trim，但它们并不优于单独的ALD。这同样可以从ALD前驱体润湿对表面化学的敏感性以及ALD过程中使用的循环沉积等离子体为PR提供额外VUV固化的假设来理解。

基于这一理解，重新优化了VUV和ALD处理以用于组合处理。优化组合的结果在图6中以绿色显示，并提供了最大的LER降低。除了线平均LER外，图7中的PSD图显示ALD和优化的VUV+ALD相比来料和未处理在中低频下向更低PSD移动。

图7：来料（黑色）、无光滑化刻蚀后（红色）以及选定光滑化结果：ALD（蓝色）和VUV+ALD（绿色）的功率谱密度图。

波导结构的线宽粗糙度在实施光滑化技术后显示出类似的影响。如图8所示，四种光滑化技术中有三种的LWR降低，DCS和ASD为异常值。这些技术作为组合处理的一部分在测试的其他组合中也表现不佳。与LER类似，VUV和Dep/Trim后接优化ALD工艺提供了最佳结果，LWR值均低于2 nm，相比来料改善超过50%。

图8：组合PR光滑化工艺对波导线宽粗糙度的影响。优化工艺（绿色）与未优化组合（橙色）遵循相同的上方x轴标签。标签中技术的顺序表示处理顺序。

独立于对波导侧壁粗糙度的影响，光滑化技术对CD偏差有可测量的影响。CD和偏差的汇总见表1。来自来料晶圆内均匀性变化的预期不确定性约为±4 nm。几乎所有单次光滑化处理都产生负偏差；这与从未处理样品观察到的超过40 nm的正偏差形成鲜明对比。将单次处理与其组合进行比较时观察到更大的对比度，后者几乎全部为正。这强化了上述组合处理机制之间的强相互作用。重新优化的效果在两个样品中都可见，与未优化对应物相比，偏差减少了约20 nm。

                         表1：刻蚀后波导结构的CD和CD偏差

等离子体刻蚀总结

总之，我们已在Si波导结构上展示了约50%的LER改善和超过50%的LWR改善。这些改善是通过在等离子体刻蚀机内原位使用PR光滑化技术作为堆叠刻蚀的一部分实现的。将需要EUV光刻的节点大量使用的PR光滑化技术适配到波导结构，为光子学制造和性能的持续改进提供了令人兴奋的新方向。虽然CD偏差在全晶圆转移过程中需要改进，但光滑化技术和堆叠中的刻蚀条件都提供了足够的机来校正CD偏差而不降低波导结构。未来对SiN和其他相关波导材料的研究也将受益于这些工艺。

气体团簇离子束均匀性控制

来料样品

硅光子学空白和器件测试载体晶圆由GlobalFoundries纽约州马耳他的300 mm工艺提供。从空白晶圆上切割样品用于束流工艺开发。

气体团簇离子束工具和工艺

修整实验使用300 mm气体团簇离子束（GCIB）平台进行。使用样品调整GCIB束流相对于刻蚀速率和表面粗糙度的参数。然后以恒定平台速度修整空白晶圆，以表征整个晶圆表面的薄膜刻蚀速率。修整空白晶圆以展示工具的位置特定处理（LSP）能力（Selvaraja等人，2012）（Selvaraja等人，2011），将晶圆薄膜厚度均匀地刻蚀到指定厚度。随后使用晶圆厂计量作为输入修整器件测试载体晶圆，并在晶圆厂进行后测量。然后处理器件晶圆进行器件表征。

工艺表征

样品刻蚀速率和粗糙度分别使用Nova i500和Veeco AFM获取。空白晶圆修整前后的薄膜厚度测量使用KLA SFx200获取。器件测试载体晶圆修整前后的薄膜厚度测量使用KLA-LD10-S获取。光学器件测量在GF设施进行。

实验结果

在空白样品上调整气体团簇离子束参数，以最大化材料刻蚀速率同时保持POR表面粗糙度，最终束流结果见图9。

图9：GCIB残留薄膜表面与POR表面的表面粗糙度对比。

使用调整后的GCIB条件，然后使用空白晶圆展示位置特定处理（LSP）将薄膜厚度修整到目标同时改善晶圆内（WiW）均匀性的能力。结果见图10，修整后的晶圆达到2400A的最终目标厚度，同时晶圆内范围改善了10倍以上。

图10：空白晶圆修整性能，实线=修整前，虚线=修整后，显示晶圆内范围从12 nm改善到低于1 nm。

使用GF晶圆厂计量作为输入，将器件测试载体晶圆修整到目标。这些晶圆在GCIB修整后使用晶圆厂计量进行测量，显示晶圆内范围从12 nm减少到低于4 nm。示例器件测试载体晶圆结果如图11所示。

图11：器件测试晶圆载体修整结果，显示晶圆内范围从12 nm减少到低于4 nm。

修整后，晶圆经过处理进行光学测试，以测量改善的薄膜均匀性对通道范围的影响。如图12所示，GCIB修整的器件测试载体晶圆的通道范围显示范围减少为对照组的一半。

图12：GCIB修整改善的均匀性对波导通道范围的影响。

GCIB总结

使用气体团簇离子束薄膜厚度修整，我们展示了将光学器件测试载体晶圆的晶圆内均匀性降低3倍的能力。这些晶圆随后的光学测试显示通道范围减半。这是一个显著的改善，尽管小于基于薄膜厚度测量看到的晶圆内薄膜均匀性改善所预期的量。正在进行的额外工作旨在理解影响完整光学性能的因素。

结论

光子学器件的性能对制造控制敏感。无源组件（如波导）中光损耗的进一步降低需要同时校正层厚度以及等离子体刻蚀过程中的图案转移和校正。东京电子和GlobalFoundries的联合工作已确定使用GCIB技术进行晶圆厚度均匀性校正以及光刻胶光滑化以减少成品波导上图案粗糙度的在线工艺。GCIB目前能够将晶圆间均匀性变化降低3倍，导致更窄的波导通道范围。PR光滑化已将LER和LWR降低约50%，最终器件的光学读数正在进行中。

Yan Shao4, Angélique Raley2

1、GlobalFoundries  

2、Tokyo Electron America,  

3、Tokyo Electron Technology center of America,  

4、Tokyo Electron Manufacturing and Engineering of America