本底真空度和殘余氣體對(duì)集成電路金屬薄膜淀積的影響

來(lái)源:上海交通大學(xué)微電子學(xué)院　作者:何秉元

隨著集成電路芯片器件特征尺寸不斷縮小和一些特色工藝的要求,金屬薄膜淀積對(duì)反應(yīng)腔真空度和殘余氣體的要求越來(lái)越高,尤其對(duì)于高溫厚鋁濺射工藝,真空反應(yīng)腔微環(huán)境的細(xì)小變化可能導(dǎo)致器件失效。本文采用氦質(zhì)譜檢漏儀,殘余氣體儀對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的8英寸Al,W金屬薄膜淀積真空設(shè)備進(jìn)行真空和殘余氣體檢查,采用掃描電子顯微鏡,透射電子顯微鏡,能量色散X射線光譜儀等方法對(duì)缺陷進(jìn)行分析。研究表明設(shè)備真空腔體微漏和極微量的殘余氣體對(duì)Al,W金屬薄膜質(zhì)量影響很大。從設(shè)備的角度提出改善真空度、減少殘余氣體的措施,這些措施在實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證和應(yīng)用,達(dá)到減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間,減少產(chǎn)品缺陷,提高成品率的效果。

　　關(guān)鍵詞：本底真空度;殘余氣體;物理氣相沉積;化學(xué)氣相沉積

　　在集成電路制造過(guò)程中, 一個(gè)重要的工序是金屬薄膜淀積。金屬薄膜淀積方法主要有物理氣相淀積（ PVD） 和化學(xué)氣相淀積（ CVD） 兩種, 這兩種淀積方式都必須在真空腔內(nèi)完成。真空條件可以創(chuàng)建潔凈的環(huán)境去除顆粒、不需要的氣體、水汽和沾污, 還能降低分子密度, 增大分子碰撞的平均自由程, 真空度取決于淀積薄膜所能容忍的氣體污染程度。隨著產(chǎn)品尺寸越做越小, 對(duì)真空腔內(nèi)的潔凈度要求越來(lái)越高, 對(duì)空氣中微小塵粒所造成的污染容忍度就越來(lái)越低。尤其對(duì)于高溫高真空的厚鋁濺射系統(tǒng), 一些特殊器件對(duì)工藝腔的殘余氣體敏感度很高, 即使是真空腔微量外漏和殘余氣體也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響導(dǎo)致器件失效。因此生產(chǎn)中不但要提高本底真空度, 更要控制殘余氣體的成分。

　　由于殘余氣體對(duì)金屬薄膜淀積有多大程度的影響取決于殘余氣體分壓、金屬種類(lèi)、淀積方法、設(shè)備件、產(chǎn)品對(duì)雜質(zhì)敏感程度、設(shè)備維護(hù)等眾多因素,國(guó)內(nèi)外很少有研究報(bào)告出版。美國(guó)應(yīng)用材料公司（Applied Materials） 的I. Hashim 等[ 1] 分析了殘余氣體對(duì)鋁銅濺射薄膜的影響, 美國(guó)英福康（ Inficon） 公司的Chenglong Yang 等[ 2] 介紹了殘余氣體儀（ RGA） 在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用, 國(guó)內(nèi)中芯半導(dǎo)體（ SMIC）吳永強(qiáng)等[ 3] 利用高壓RGA 在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)分析了殘余氣體對(duì)DRAM VIA 填孔能力的影響。

真空腔體中的殘余氣體

　　真空系統(tǒng)中殘余氣體成分與真空系統(tǒng)的工藝和抽氣系統(tǒng)的類(lèi)型有關(guān)。半導(dǎo)體中的金屬薄膜淀積設(shè)備主要使用無(wú)油的干泵、渦輪分子泵和低溫泵抽氣系統(tǒng)。CVD 一般使用干泵抽氣系統(tǒng), 而PVD 則使用渦輪分子泵和低溫泵抽氣系統(tǒng)。

　　真空中常見(jiàn)殘余氣體有水汽（H2O） , 氧氣（O2） 、氫氣（H2） , CO, CO2 及N2 等, 其中O2 和H2O 是淀積薄膜的主要污染源。水汽是極性分子, 通過(guò)極性鍵與容器表面連接, 形成50~ 100 nm 的單分子層, 抽真空的過(guò)程中水汽會(huì)凝結(jié)吸附在真空腔體以及各種工藝部件表面, 水汽的存在限制系統(tǒng)的zui終真空度, 也對(duì)薄膜淀積造成影響。水在化學(xué)反應(yīng)和真空中會(huì)被分解成離子或H2, O2 等氣體分子, 所以它成為真空系統(tǒng)的一個(gè)問(wèn)題所在, 它頑強(qiáng)地粘在表面上, 清除起來(lái)很緩慢。

　　金屬表面與空氣中的氧發(fā)生作用, 能形成一層多孔疏松的氧化物薄膜, 導(dǎo)致晶界面結(jié)合力降低。殘余氣體來(lái)源是多方面的, 可能是各種密封部件、接頭、真空腔體、輸送氣體管線的外漏、真空腔壁、定期更換工藝部件的放氣、不純的氣體雜質(zhì), 甚至于進(jìn)出真空反應(yīng)腔的Si 片本身就是可能的污染源。腔體真空度和殘余氣體是薄膜生長(zhǎng)的主要因素。反應(yīng)腔中殘余氣體進(jìn)入正在生長(zhǎng)著的薄膜, 特別是化學(xué)性質(zhì)活潑的氣體是薄膜的污染物, 殘余氣體會(huì)阻止反應(yīng)原子、分子運(yùn)動(dòng), 不易形成均勻平坦的薄膜; 殘余氣體介入薄膜中, 膜層中將形成很多缺陷, 從而使薄膜結(jié)構(gòu)疏松, 降低其表面力學(xué)性能。

　　本文主要研究真空腔體微漏和極微量的殘余氣體對(duì)金屬薄膜淀積工藝成品率的影響, 改善設(shè)備的真空度和減少殘余氣體能夠明顯減少產(chǎn)品缺陷, 提高成品率。本文提到的三個(gè)案例真空泄漏都是因?yàn)楹附咏饘俨y管微小的漏氣, 其實(shí)真空系統(tǒng)可能漏氣地方很多, 如各種密封部件、法蘭連接處、螺紋連接處、焊縫、旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件、接頭部件等。金屬波紋管廣泛應(yīng)用在金屬薄膜淀積設(shè)備上, 從本文三個(gè)案例我們認(rèn)識(shí)到金屬波紋管在壓縮和拉伸狀態(tài)下泄漏可能不同, 如金屬波紋管有問(wèn)題不能反應(yīng)工藝時(shí)的真實(shí)漏率。在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)有的波紋管在壓縮和伸展時(shí)漏率差異很大, 例如隔離閥在打開(kāi)和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)下金屬波紋管處于壓縮和拉伸, 在壓縮時(shí)壓力上升法測(cè)得漏率01003 Pa/ min, 真空度可以到419 @10- 5 Pa, 而伸展時(shí)漏率為0128 Pa/ min, 真空度可以到110 @ 10- 3 Pa。

　　對(duì)于真空薄膜淀積工藝出現(xiàn)問(wèn)題時(shí), 首先要對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行*檢漏, 排除殘余氣體, 雜質(zhì)對(duì)薄膜特性的影響, 檢漏不僅關(guān)注在工藝腔, 周?chē)墓杵瑐鬏斍灰惨?檢漏。不但要降低真空系統(tǒng)中殘余氣體的量, 提高真空度, 更要控制殘余氣體的成分。部分芯片制造廠, 近年來(lái)逐步將高壓型RGA 作為線上同步監(jiān)控的儀器, 不但可以同步偵測(cè), 還可以主動(dòng)傳送錯(cuò)誤或警告信息停止設(shè)備作業(yè), 但成本較高。

　　Abstract: The influence of the pressure and residue gases on quality of the Al and W films used in fabrication of large scale integrated circuit（IC） on 8 inch Si wafer,was systematically studied via case analysis.The surface microstructures of the metals films were characterized with optical microscopy,scanning electron miscroscopy and energy dispersive X-Ray.The results show that the micro-leak,originated from bellows of the vacuum system in particular,and the residual gases,including water vapor and oxygen,significantly results in serious problems in the metal films growth.Possible solutions to eliminate the micro-leakage and reduce the residual gases were tentatively discussed.

　　Keywords: Base pressure,Residual gas,Physical vapor deposition,Chemical vapor deposition

參考文獻(xiàn)：
　　[1]Hashim I,Raaijmakers I J.Vacuum Requirements for NextWafer Size Physical Vapor Deposition System[J].AmericanVacuum Society,1997,15（3）:1305
　　[2]Chenglong Yang,Jeff Merrill,David Lazovsky.Application ofIntegrated Process Monitor System on Endura2[J].Present onSemiCon West,2004
　　[3]Wu Yongqiang,Ping Huang,Song Xinghua,et al.AdvancedInline Process Control on PVD System-An Application of RGAfor IC Manufacturing Quality and Capacity Improvement[C].Semiconductor Technology ISTC,Ming Yang,2008:492
　　[4]成永軍,李得天,張滌新,等.*真空校準(zhǔn)室內(nèi)殘余氣體的成分分析[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2010,30（1）:54-59
　　[5]Zhang Jiwei,Charles Xing,Ni Baibing,et al.A Study of theImpact of Substrate Temperature on the Post-Etch VolcanoDefect[C].Semiconductor Technology ISTC,Ming Yang,2008:349
[6]Kenji Hinode,Yoshio Homma.Whiskers Grown on AluminumThin Films during Heat Treatments[C].American VacuumSociety,1996:2570