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
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(xiàn)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�？�( Inficon) 公司的Chenglong Yang 等[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)中芯國(guó)際半導(dǎo)體( SMIC)吳永強(qiáng)等[ 3] 利用高壓RGA 在線(xiàn)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)的最終真空度， 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(xiàn)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0.003 Pa/ min， 真空度可以到4.9 ×10-5 Pa， 而伸展時(shí)漏率為0.28 Pa/ min， 真空度可以到1.0 × 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)行徹底檢漏， 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)墓杵瑐鬏斍灰惨獜氐?a href="http://genius-power.com/leakhunting/">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。部分高端芯片制造廠， 近年來(lái)逐步將高壓型RGA 作為線(xiàn)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
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