钨刻蚀残留的改善-文档

钨刻蚀残留的改善钨刻蚀残留的改善 1 钨在集成电路制造中的应用 钨（Tungsten，W）在集成电路制造中常被用来填充接触孔 （ContactHoles）或金属层之间的接触孔（ViaHoles），以形成 所谓的栓塞（Plug）来连接金属层与硅或者是不同的金属层。随 着集成电路器件特征尺寸的不断缩小， 连线层之间的接触孔会变 得更小更窄。因为物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition， PVD） 铝不可能用来填充这些狭窄的接触孔而不产生空洞 （Void） 。 有空洞的接触孔会因为接触孔的金属横截面积较小， 而引起高的 接触孔电阻和高密度电流，因而产生过多地热量进而加快损坏 IC 器件。所以就发展出其他的方法。在这个步骤里使用大的 RF 功率，大的 SF6 流量，以产生高密度的 F+离子，这样便可获得 较高的刻蚀速率。 但是在这个步骤中等离子体对硅片表面的损伤 较大，刻蚀的面内均匀性较差。 第二步、根据 EPD（EndPointDetect）停止。当钨将被刻蚀 完时，F+离子的浓度开始上升，当上升的斜率达到设定值时，这 个步骤停止，进入下一步骤。在这一步骤中 RF 功率和 SF6 流量 相对第一步较小，因而刻蚀速率和对硅片表面的损伤都较小。 第三步、再刻蚀。第二步结束以后再用与第二步相同的刻蚀 速率继续刻蚀一定时间，保证硅片表面的钨全部被刻蚀干净。 4 钨刻蚀残留的影响 钨刻蚀残留通常是指刻蚀后硅片表面仍有大面积的宏观钨 残留，残留区域的 SEM 照片如图 1 所示。这样的残留使接触孔仍 连接在一起，造成电路短路、失效，情况严重时则会导致废弃硅 片。 发生钨刻蚀残留时往往会同时伴随着部分区域过刻蚀的现 象，SEM 照片如图 2 所示。栓塞损失过大而超过规格时同样也会 导致废弃硅片。 5 钨刻蚀残留的原因 钨刻蚀残留的原因有很多， 其中最主要的原因是钨薄膜淀积 的均匀性和刻蚀速率的均匀性。5.1 机械手搬送位置不稳定 钨 CVD 设备的机械手搬送位置不稳定， 将硅片送入反应腔后 会有位置的偏差，造成硅片在反应腔的加热器（ Heater）上不能 被很好的吸附，背面压力控制不好，背面氩气流量偏低，使硅片 表面受热不均匀，导致淀积的钨薄膜厚度均匀性差，刻蚀后会产 生残留。 5.2 机械手搬送位置不佳 钨 CVD 设备的机械手搬送速度过快， 将硅片送入反应腔后也 会引起有位置的偏差。钨 CVD 设备的机械手搬送位置不准确，会 造成机械手将硅片放入反应腔的位置有偏差， 严重时硅片会搁置 在 HEATER 边缘的 PURGERING 上。由于 purgering 温度较低，因 而该位置的钨薄膜厚度会较薄， 从而导致淀积的钨薄膜厚度均匀 性变差，刻蚀后会产生 W 残留现象。 5.3 加热器表面状态不好或加热不均匀 加热器表面状态不好，不平整、太粗糙，也会使硅片在反应 腔的加热器上不能被很好的吸附， 导致淀积的钨薄膜厚度均匀性 差，刻蚀后产生钨的残留现象。加热器加热不均匀，会造成局部 温度异常，从而影响W 的生长，影响均匀性，刻蚀后造成局部过 刻。 5.4 Throttlve 状态不良 W 生长工艺腔通过 Throttlve 来控制压力。 Throttlve 是通过马达控制阀体的开度，从而控制腔体的压 力。控制反应腔内压力的Throttlve 阻尼过大、反应慢，也 会使背面氩气流量偏低，导致淀积的钨薄膜厚度均匀性变差，刻 蚀后造成残留。 5.5 钨薄膜均匀性不好 硅片上的钨薄膜中间厚周边薄， 而钨刻蚀设备的刻蚀速率是 周边比中间快，两种情况叠加起来就会造成中间有钨刻蚀残留。 5.6 钨生长模式影响 钨薄膜成长有去边模式（CMP 模式）和不去边模式（Naomal 模式）。去边模式边缘区域没有钨薄膜，直到1.6mm 处钨薄膜厚 度才和不去边模式的相当； 而不去边模式的边缘钨薄膜厚度和中 间相同。刻蚀钨时，周边的刻蚀速率比中间快，再加上不去边模 式边缘没有钨薄膜，TiN 薄膜直接暴露在外面，所以去边模式比 不去边模式更容易边缘过刻，中间残留。而且去边模式的钨刻蚀 速率比不去边模式的钨刻蚀速率快 8%-14%。因此对于钨回刻工 艺来说，钨薄膜成长的去边模式相对于不去边模式 Margin 缩小 了。 5.7 钨刻蚀不充分 钨刻蚀是将 endpoint 检查点装在刻蚀腔的边缘。当边缘的 钨被刻蚀干净时 endpoint 就会检测到，但是由于硅片中间的刻 蚀速率比边缘慢，所以这时中间的钨还没有被完全刻蚀干净，还 需要一个再刻蚀（overetch）的步骤。如果再刻蚀时间不充分， 则中间仍会有 W 残留。但是再刻蚀的时间也不能太长，否则边缘 会有过大的插塞损失。所以再刻蚀时间要调整在既不存在钨残 留，也不造成过大的插塞损失的适当范围内。 5.8 切换温度的影响 钨薄膜生长温度根据不同的工艺需要可分为 425℃、450℃ 和 475℃。当两批采用不同钨淀积温度的产品需要在一个机台作 业时，需要机台由一个温度切换为另一个温度。由于刚切换后温 度不是很稳定，会造成切换温度后作业的那批产品有钨刻蚀残 留。 6 钨刻蚀残留的改善 根据以上的可能原因，我们提出了以下的改善方案： （1）监控钨 CVD 设备的机械手搬送位置的稳定性，定期对 机械手进行 home。Home 就是让机械手找到 homesensor，回到 homesensor 位置处。如果机械手位置有偏移就需要确认机械手 零点位置。方法是让机械手找到 HOME 位置后，回到零点位置， 用专门的工具确认机械手零点，如果零点有偏差，那么就要进行 调整。如果还不能解决机械手不稳定的问题，就需要对机械手进 行大修，更换换新的机械手和马达。（2）降低钨CVD 设 备的机械手的搬送速度。 一定要确认好机械手送硅片进工艺腔的 位置，为可靠起见，一般需要两个人共同确认搬送位置。在工艺 腔进行定期维护后， 要在高温下进行机械手送硅片进工艺腔的位 置调整， 尽量减少误差， 保证硅片放在工艺腔加热器的中间位置。 （3）发现加热器表面粗糙或温度不均匀，对加热器进行研 磨， 改善加热器表面状况。 若加热器表面恶化则更换新的加热器。 （4）定期对Throttlve 进行检查，一旦阻尼过大的话， 对阀进行清洁处理， 或进行检修， 以改善 Throttlve 的状况。 （5）由于钨刻蚀设备很难改变刻蚀速率周边比中间快的特 性，经研究发现，只有适当的将钨薄膜调整为周边比中间膜厚厚 一些，可以改善钨刻蚀的残留现象。 （6）钨回刻蚀工艺的产品尽量不在去边模式的钨 CVD 设备 作业，而在没有去边的设备作业。 （7）在保障插塞在规范内的前提下，增加再刻蚀时间。在 每个产品上做过刻蚀时间的实验，找出最佳的过刻蚀时间，并且 确认好每个过刻蚀时间有 2 秒钟的余量（margin）。 （8）在做温度切换前先做25 枚切换温度的假片，温度稳定 后再做产品。在生产监视控制系统 GPC 中增加监视温度的项目。 使用软件来监控背压和背面氩气流量，及时发现问题，避免异常 扩大。 7 结语 在华虹宏力， 由于钨刻蚀残留而导致的废弃硅片数占了所有 钨生长装置废弃硅片数的一半以