本底真空度和殘余氣體對集成電路金屬薄膜淀積的影響

來源:上海交通大學微電子學院　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,金屬薄膜淀積對反應腔真空度和殘余氣體的要求越來越高,尤其對于高溫厚鋁濺射工藝,真空反應腔微環境的細小變化可能導致器件失效。本文采用氦質譜檢漏儀,殘余氣體儀對出現問題的8英寸Al,W金屬薄膜淀積真空設備進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缺陷進行分析。研究表明設備真空腔體微漏和極微量的殘余氣體對Al,W金屬薄膜質量影響很大。從設備的角度提出改善真空度、減少殘余氣體的措施,這些措施在實際生產中得到了驗證和應用,達到減少設備停機時間,減少產品缺陷,提高成品率的效果。

　　關鍵詞：本底真空度;殘余氣體;物理氣相沉積;化學氣相沉積

　　在集成電路制造過程中, 一個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） 和化學氣相淀積（ CVD） 兩種, 這兩種淀積方式都必須在真空腔內完成。真空條件可以創建潔凈的環境去除顆粒、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。隨著產品尺寸越做越小, 對真空腔內的潔凈度要求越來越高, 對空氣中微小塵粒所造成的污染容忍度就越來越低。尤其對于高溫高真空的厚鋁濺射系統, 一些特殊器件對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產生明顯的影響導致器件失效。因此生產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、淀積方法、設備件、產品對雜質敏感程度、設備維護等眾多因素,國內外很少有研究報告出版。美國應用材料公司（Applied Materials） 的I. Hashim 等[ 1] 分析了殘余氣體對鋁銅濺射薄膜的影響, 美國英福康（ Inficon） 公司的Chenglong Yang 等[ 2] 介紹了殘余氣體儀（ RGA） 在半導體制造中的應用, 國內中芯半導體（ SMIC）吳永強等[ 3] 利用高壓RGA 在線實時檢測系統分析了殘余氣體對DRAM VIA 填孔能力的影響。

真空腔體中的殘余氣體

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

　　真空中常見殘余氣體有水汽（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, 抽真空的過程中水汽會凝結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的zui終真空度, 也對薄膜淀積造成影響。水在化學反應和真空中會被分解成離子或H2, O2 等氣體分子, 所以它成為真空系統的一個問題所在, 它頑強地粘在表面上, 清除起來很緩慢。

　　金屬表面與空氣中的氧發生作用, 能形成一層多孔疏松的氧化物薄膜, 導致晶界面結合力降低。殘余氣體來源是多方面的, 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, 甚至于進出真空反應腔的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的主要因素。反應腔中殘余氣體進入正在生長著的薄膜, 特別是化學性質活潑的氣體是薄膜的污染物, 殘余氣體會阻止反應原子、分子運動, 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, 從而使薄膜結構疏松, 降低其表面力學性能。

　　本文主要研究真空腔體微漏和極微量的殘余氣體對金屬薄膜淀積工藝成品率的影響, 改善設備的真空度和減少殘余氣體能夠明顯減少產品缺陷, 提高成品率。本文提到的三個案例真空泄漏都是因為焊接金屬波紋管微小的漏氣, 其實真空系統可能漏氣地方很多, 如各種密封部件、法蘭連接處、螺紋連接處、焊縫、旋轉機械部件、接頭部件等。金屬波紋管廣泛應用在金屬薄膜淀積設備上, 從本文三個案例我們認識到金屬波紋管在壓縮和拉伸狀態下泄漏可能不同, 如金屬波紋管有問題不能反應工藝時的真實漏率。在實際中發現有的波紋管在壓縮和伸展時漏率差異很大, 例如隔離閥在打開和關閉兩個狀態下金屬波紋管處于壓縮和拉伸, 在壓縮時壓力上升法測得漏率01003 Pa/ min, 真空度可以到419 @10- 5 Pa, 而伸展時漏率為0128 Pa/ min, 真空度可以到110 @ 10- 3 Pa。

　　對于真空薄膜淀積工藝出現問題時, 首先要對真空系統進行*檢漏, 排除殘余氣體, 雜質對薄膜特性的影響, 檢漏不僅關注在工藝腔, 周圍的硅片傳輸腔也要*檢漏。不但要降低真空系統中殘余氣體的量, 提高真空度, 更要控制殘余氣體的成分。部分芯片制造廠, 近年來逐步將高壓型RGA 作為線上同步監控的儀器, 不但可以同步偵測, 還可以主動傳送錯誤或警告信息停止設備作業, 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：
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