胡浩

(上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司一廠工程二部,上海 201206)

鎢刻蝕殘留的改善

胡浩

(上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司一廠工程二部,上海 201206)

鎢CVD在現(xiàn)代先進(jìn)集成電路制造中有著不可或缺的應(yīng)用,利用氟化學(xué)藥品產(chǎn)生等離子體刻蝕鎢的鎢回刻工藝在業(yè)界中被廣泛地使用。在集成電路制造過程中會發(fā)生鎢被刻蝕以后硅片表面仍有大面積的宏觀鎢殘留的現(xiàn)象,這樣會造成電路失效,導(dǎo)致廢棄硅片。鎢薄膜淀積的均勻性是造成鎢刻蝕殘留的主要原因,通過改善鎢薄膜淀積設(shè)備的一些設(shè)置,作業(yè)方法和作業(yè)條件的合理分配,以及鎢刻蝕的條件,有效地改善了鎢刻蝕殘留現(xiàn)象,減少了硅片的廢棄。

鎢CVD 鎢刻蝕鎢殘留

1 鎢在集成電路制造中的應(yīng)用

鎢(Tungsten,W)在集成電路制造中常被用來填充接觸孔(ContactHoles)或金屬層之間的接觸孔(ViaHoles),以形成所謂的栓塞(Plug)來連接金屬層與硅或者是不同的金屬層。隨著集成電路器件特征尺寸的不斷縮小,連線層之間的接觸孔會變得更小更窄。因為物理氣相淀積(PhysicalVaporDeposition,PVD)鋁不可能用來填充這些狹窄的接觸孔而不產(chǎn)生空洞(Void)。有空洞的接觸孔會因為接觸孔的金屬橫截面積較小,而引起高的接觸孔電阻和高密度電流,因而產(chǎn)生過多地?zé)崃窟M(jìn)而加快損壞IC器件。所以就發(fā)展出其他的方法?；瘜W(xué)氣相淀積(ChemicalVaporDeposition,CVD)鎢薄膜具有非常好的臺階覆蓋率(StepCoverage)和間隙填充能力(GapfillCapability),而且可以填充微小的接觸孔以使金屬層連接在一起,因此成為填充大深寬比的接觸孔或金屬層之間接觸空的理想工藝選擇。CVD鎢的電阻率(8．0至12μΩ·cm)比PVD鋁銅合金的電阻率(2．9至3．3μΩ·cm)要高。所以CVD鎢只能用來當(dāng)作連接不同層之間的栓塞和局部連線用,而不用再長距離連線中。

2 鎢CVD成長原理

鎢通常會用CVD工藝淀積,利用WF6氣體作為鎢的源材料,SiH4和H2則用來和WF6發(fā)生反應(yīng)來降低氟含量并淀積鎢。在450攝氏度左右時WF6和SiH4發(fā)生反應(yīng)并淀積鎢,此反應(yīng)通常會被用來淀積成核層(NucleationLayer)。

圖1 鎢刻蝕殘留

圖2 栓塞損失過大

成核步驟會強(qiáng)烈地影響到后續(xù)薄膜的均勻性。成核步驟之后,使用WF6和H2在大約400攝氏度反應(yīng)來淀積大量鎢,這個反應(yīng)能夠填充狹窄的接觸孔和金屬層間的接觸孔。

在鎢CVD工藝過程期間,氬氣(Argon,Ar)通常是被用來吹除凈化硅片的背面,以防止鎢淀積在硅片的邊緣和背面而形成污染物。N2被用來改進(jìn)薄膜的反射系數(shù)和電阻率。硅片在反應(yīng)腔內(nèi)依靠正面和背面的壓力差被吸附在加熱器表面,從而可以得到充分的加熱。

因為鎢無法很好地附者在二氧化硅的表面上,故通常需要一層氮化鈦(TiN)來幫助鎢黏附。TiN可以防止鎢擴(kuò)散進(jìn)入二氧化硅層,因為鎢會引起重金屬污染;TiN可以避免鎢接觸到硅,并防止鎢與硅起反應(yīng)而形成硅化鎢,形成硅化鎢則會引起接觸面損失(JunctionLoss)。

3 鎢等離子體刻蝕原理

在硅片表面的大量鎢必須被去除,只留下接觸孔中的鎢。留下來的鎢就被當(dāng)成栓塞以連接各層之間的導(dǎo)線。利用氟(Fluorin,F)化學(xué)藥品的鎢回刻工藝在業(yè)界中被廣泛地使用。其原理是氣體SF6在RF作用下產(chǎn)生等離子體,氟離子重度轟擊硅片表面的鎢并與之反應(yīng),生成WF6氣體而被排出。

鎢等離子體刻蝕分為三個步驟：

第一步、主要刻蝕步驟。在這個步驟里使用大的RF功率,大的SF6流量,以產(chǎn)生高密度的F+離子,這樣便可獲得較高的刻蝕速率。但是在這個步驟中等離子體對硅片表面的損傷較大,刻蝕的面內(nèi)均勻性較差。

第二步、根據(jù)EPD(EndPointDetect)停止。當(dāng)鎢將被刻蝕完時,F+離子的濃度開始上升,當(dāng)上升的斜率達(dá)到設(shè)定值時,這個步驟停止,進(jìn)入下一步驟。在這一步驟中RF功率和SF6流量相對第一步較小,因而刻蝕速率和對硅片表面的損傷都較小。

第三步、再刻蝕。第二步結(jié)束以后再用與第二步相同的刻蝕速率繼續(xù)刻蝕一定時間,保證硅片表面的鎢全部被刻蝕干凈。

4 鎢刻蝕殘留的影響

鎢刻蝕殘留通常是指刻蝕后硅片表面仍有大面積的宏觀鎢殘留,殘留區(qū)域的SEM照片如圖1所示。這樣的殘留使接觸孔仍連接在一起,造成電路短路、失效,情況嚴(yán)重時則會導(dǎo)致廢棄硅片。

發(fā)生鎢刻蝕殘留時往往會同時伴隨著部分區(qū)域過刻蝕的現(xiàn)象,SEM照片如圖2所示。栓塞損失過大而超過規(guī)格時同樣也會導(dǎo)致廢棄硅片。

5 鎢刻蝕殘留的原因

鎢刻蝕殘留的原因有很多,其中最主要的原因是鎢薄膜淀積的均勻性和刻蝕速率的均勻性。具體有以下原因：

5.1 機(jī)械手搬送位置不穩(wěn)定

鎢CVD設(shè)備的機(jī)械手搬送位置不穩(wěn)定,將硅片送入反應(yīng)腔后會有位置的偏差,造成硅片在反應(yīng)腔的加熱器(Heater)上不能被很好的吸附,背面壓力控制不好,背面氬氣流量偏低,使硅片表面受熱不均勻,導(dǎo)致淀積的鎢薄膜厚度均勻性差,刻蝕后會產(chǎn)生殘留。

5.2 機(jī)械手搬送位置不佳

鎢CVD設(shè)備的機(jī)械手搬送速度過快,將硅片送入反應(yīng)腔后也會引起有位置的偏差。鎢CVD設(shè)備的機(jī)械手搬送位置不準(zhǔn)確,會造成機(jī)械手將硅片放入反應(yīng)腔的位置有偏差,嚴(yán)重時硅片會擱置在HEATER邊緣的PURGERING上。由于purgering溫度較低,因而該位置的鎢薄膜厚度會較薄,從而導(dǎo)致淀積的鎢薄膜厚度均勻性變差,刻蝕后會產(chǎn)生W殘留現(xiàn)象。

5.3 加熱器表面狀態(tài)不好或加熱不均勻

加熱器表面狀態(tài)不好,不平整、太粗糙,也會使硅片在反應(yīng)腔的加熱器上不能被很好的吸附,導(dǎo)致淀積的鎢薄膜厚度均勻性差,刻蝕后產(chǎn)生鎢的殘留現(xiàn)象。加熱器加熱不均勻,會造成局部溫度異常,從而影響W的生長,影響均勻性,刻蝕后造成局部過刻。

5.4 Throttlevalve狀態(tài)不良

W生長工藝腔通過Throttlevalve來控制壓力。Throttlevalve是通過馬達(dá)控制閥體的開度,從而控制腔體的壓力?？刂品磻?yīng)腔內(nèi)壓力的Throttlevalve阻尼過大、反應(yīng)慢,也會使背面氬氣流量偏低,導(dǎo)致淀積的鎢薄膜厚度均勻性變差,刻蝕后造成殘留。

5.5 鎢薄膜均勻性不好

硅片上的鎢薄膜中間厚周邊薄,而鎢刻蝕設(shè)備的刻蝕速率是周邊比中間快,兩種情況疊加起來就會造成中間有鎢刻蝕殘留。

5.6 鎢生長模式影響

鎢薄膜成長有去邊模式(CMP模式)和不去邊模式(Naomal模式)。去邊模式邊緣區(qū)域沒有鎢薄膜,直到1．6mm處鎢薄膜厚度才和不去邊模式的相當(dāng);而不去邊模式的邊緣鎢薄膜厚度和中間相同。刻蝕鎢時,周邊的刻蝕速率比中間快,再加上不去邊模式邊緣沒有鎢薄膜,TiN薄膜直接暴露在外面,所以去邊模式比不去邊模式更容易邊緣過刻,中間殘留。而且去邊模式的鎢刻蝕速率比不去邊模式的鎢刻蝕速率快8%-14%。因此對于鎢回刻工藝來說,鎢薄膜成長的去邊模式相對于不去邊模式Margin縮小了。

5.7 鎢刻蝕不充分

鎢刻蝕是將endpoint檢查點(diǎn)裝在刻蝕腔的邊緣。當(dāng)邊緣的鎢被刻蝕干凈時endpoint就會檢測到,但是由于硅片中間的刻蝕速率比邊緣慢,所以這時中間的鎢還沒有被完全刻蝕干凈,還需要一個再刻蝕(overetch)的步驟。如果再刻蝕時間不充分,則中間仍會有W殘留。但是再刻蝕的時間也不能太長,否則邊緣會有過大的插塞損失。所以再刻蝕時間要調(diào)整在既不存在鎢殘留,也不造成過大的插塞損失的適當(dāng)范圍內(nèi)。

5.8 切換溫度的影響

鎢薄膜生長溫度根據(jù)不同的工藝需要可分為425℃、450℃和475℃。當(dāng)兩批采用不同鎢淀積溫度的產(chǎn)品需要在一個機(jī)臺作業(yè)時,需要機(jī)臺由一個溫度切換為另一個溫度。由于剛切換后溫度不是很穩(wěn)定,會造成切換溫度后作業(yè)的那批產(chǎn)品有鎢刻蝕殘留。

6 鎢刻蝕殘留的改善

根據(jù)以上的可能原因,我們提出了以下的改善方案：

(1)監(jiān)控鎢CVD設(shè)備的機(jī)械手搬送位置的穩(wěn)定性,定期對機(jī)械手進(jìn)行home。Home就是讓機(jī)械手找到homesensor,回到homesensor位置處。如果機(jī)械手位置有偏移就需要確認(rèn)機(jī)械手零點(diǎn)位置。方法是讓機(jī)械手找到HOME位置后,回到零點(diǎn)位置,用專門的工具確認(rèn)機(jī)械手零點(diǎn),如果零點(diǎn)有偏差,那么就要進(jìn)行調(diào)整。如果還不能解決機(jī)械手不穩(wěn)定的問題,就需要對機(jī)械手進(jìn)行大修,更換換新的機(jī)械手和馬達(dá)。

(2)降低鎢CVD設(shè)備的機(jī)械手的搬送速度。一定要確認(rèn)好機(jī)械手送硅片進(jìn)工藝腔的位置,為可靠起見,一般需要兩個人共同確認(rèn)搬送位置。在工藝腔進(jìn)行定期維護(hù)后,要在高溫下進(jìn)行機(jī)械手送硅片進(jìn)工藝腔的位置調(diào)整,盡量減少誤差,保證硅片放在工藝腔加熱器的中間位置。

(3)發(fā)現(xiàn)加熱器表面粗糙或溫度不均勻,對加熱器進(jìn)行研磨,改善加熱器表面狀況。若加熱器表面惡化則更換新的加熱器。

(4)定期對Throttlevalve進(jìn)行檢查,一旦阻尼過大的話,對閥進(jìn)行清潔處理,或進(jìn)行檢修,以改善Throttlevalve的狀況。

(5)由于鎢刻蝕設(shè)備很難改變刻蝕速率周邊比中間快的特性,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),只有適當(dāng)?shù)膶㈡u薄膜調(diào)整為周邊比中間膜厚厚一些,可以改善鎢刻蝕的殘留現(xiàn)象。

(6)鎢回刻蝕工藝的產(chǎn)品盡量不在去邊模式的鎢CVD設(shè)備作業(yè),而在沒有去邊的設(shè)備作業(yè)。

(7)在保障插塞在規(guī)范內(nèi)的前提下,增加再刻蝕時間。在每個產(chǎn)品上做過刻蝕時間的實驗,找出最佳的過刻蝕時間,并且確認(rèn)好每個過刻蝕時間有2秒鐘的余量(margin)。

(8)在做溫度切換前先做25枚切換溫度的假片,溫度穩(wěn)定后再做產(chǎn)品。在生產(chǎn)監(jiān)視控制系統(tǒng)GPC中增加監(jiān)視溫度的項目。使用軟件來監(jiān)控背壓和背面氬氣流量,及時發(fā)現(xiàn)問題,避免異常擴(kuò)大。

7 結(jié)語

在華虹宏力,由于鎢刻蝕殘留而導(dǎo)致的廢棄硅片數(shù)占了所有鎢生長裝置廢棄硅片數(shù)的一半以上,所以如何減少鎢刻蝕殘留現(xiàn)象的產(chǎn)生對于我們來說是一個挑戰(zhàn)。通過長期的實驗和深入研究,我們總結(jié)了一系列的改善方案并成功的將這些改善方案運(yùn)用到生產(chǎn)實踐中,通過這一系列的改善措施后,鎢刻蝕殘留而導(dǎo)致的產(chǎn)品硅片廢棄有了明顯的減少。

鎢刻蝕殘留改善過程是一個長期和系統(tǒng)的過程,要通過設(shè)備和工藝兩方面進(jìn)行改善和優(yōu)化,保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和良品率。在硬件方面,設(shè)備部品改善方面還有許多工作可以做,軟件方面,RECIPE的改善和產(chǎn)品溫度的統(tǒng)一是下一步的工作重點(diǎn)。隨著產(chǎn)品的要求不斷提高,我們面臨越來越多的挑戰(zhàn)．我們要更加深入地分析問題并解決問題,盡量減少鎢刻蝕殘留。

[1]羅正忠,張鼎張.半導(dǎo)體制程導(dǎo)論[M].臺灣:培生教育出版股份有限公司,2002:198.

[2]王福貞,馬文存.氣相沉積應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3]耿懷玉.半導(dǎo)體集成電路制造手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]李紅征,謝一強(qiáng).多層金屬化中的鎢插塞技術(shù)[J].微電子技術(shù),2003,31(1):13-15.