本底真空度和残余气体对集成电路金属薄膜淀积的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海交通大学微电子学院 作者:何秉元

  随着集成电路芯片器件特征尺寸不断缩小和一些特色工艺的要求,金属薄膜淀积对反应腔真空度和残余气体的要求越来越高,尤其对于高温厚铝溅射工艺,真空反应腔微环境的细小变化可能导致器件失效。本文采用氦质谱检漏仪,残余气体仪对出现问题的8英寸Al,W金属薄膜淀积真空设备进行真空和残余气体检查,采用扫描电子显微镜,透射电子显微镜,能量色散X射线光谱仪等方法对缺陷进行分析。研究表明设备真空腔体微漏和极微量的残余气体对Al,W金属薄膜质量影响很大。从设备的角度提出改善真空度、减少残余气体的措施,这些措施在实际生产中得到了验证和应用,达到减少设备停机时间,减少产品缺陷,提高成品率的效果。

  关键词:本底真空度;残余气体;物理气相沉积;化学气相沉积

  在集成电路制造过程中, 一个重要的工序是金属薄膜淀积。金属薄膜淀积方法主要有物理气相淀积( PVD) 和化学气相淀积( CVD) 两种, 这两种淀积方式都必须在真空腔内完成。真空条件可以创建洁净的环境去除颗粒、不需要的气体、水汽和沾污, 还能降低分子密度, 增大分子碰撞的平均自由程, 真空度取决于淀积薄膜所能容忍的气体污染程度。随着产品尺寸越做越小, 对真空腔内的洁净度要求越来越高, 对空气中微小尘粒所造成的污染容忍度就越来越低。尤其对于高温高真空的厚铝溅射系统, 一些特殊器件对工艺腔的残余气体敏感度很高, 即使是真空腔微量外漏和残余气体也会产生明显的影响导致器件失效。因此生产中不但要提高本底真空度, 更要控制残余气体的成分。

  由于残余气体对金属薄膜淀积有多大程度的影响取决于残余气体分压、金属种类、淀积方法、设备件、产品对杂质敏感程度、设备维护等众多因素,国内外很少有研究报告出版。美国应用材料公司(Applied Materials) 的I. Hashim 等[ 1] 分析了残余气体对铝铜溅射薄膜的影响, 美国英福康( Inficon) 公司的Chenglong Yang 等[介绍了残余气体仪( RGA) 在半导体制造中的应用, 国内中芯国际半导体( SMIC)吴永强等[ 3] 利用高压RGA 在线实时检测系统分析了残余气体对DRAM VIA 填孔能力的影响。

真空腔体中的残余气体

  真空系统中残余气体成分与真空系统的工艺和抽气系统的类型有关。半导体中的金属薄膜淀积设备主要使用无油的干泵涡轮分子泵低温泵抽气系统。CVD 一般使用干泵抽气系统, 而PVD 则使用涡轮分子泵和低温泵抽气系统。

  真空中常见残余气体有水汽(H2O) , 氧气(O2) 、氢气(H2) , CO, CO2 及N2 等, 其中O2 和H2O 是淀积薄膜的主要污染源。水汽是极性分子, 通过极性键与容器表面连接, 形成50~ 100 nm 的单分子层, 抽真空的过程中水汽会凝结吸附在真空腔体以及各种工艺部件表面, 水汽的存在限制系统的最终真空度, 也对薄膜淀积造成影响。水在化学反应和真空中会被分解成离子或H2, O2 等气体分子, 所以它成为真空系统的一个问题所在, 它顽强地粘在表面上, 清除起来很缓慢。

  金属表面与空气中的氧发生作用, 能形成一层多孔疏松的氧化物薄膜, 导致晶界面结合力降低。残余气体来源是多方面的, 可能是各种密封部件、接头、真空腔体、输送气体管线的外漏、真空腔壁、定期更换工艺部件的放气、不纯的气体杂质, 甚至于进出真空反应腔的Si 片本身就是可能的污染源。腔体真空度和残余气体是薄膜生长的主要因素。反应腔中残余气体进入正在生长着的薄膜, 特别是化学性质活泼的气体是薄膜的污染物, 残余气体会阻止反应原子、分子运动, 不易形成均匀平坦的薄膜; 残余气体介入薄膜中, 膜层中将形成很多缺陷, 从而使薄膜结构疏松, 降低其表面力学性能。

  本文主要研究真空腔体微漏和极微量的残余气体对金属薄膜淀积工艺成品率的影响, 改善设备的真空度和减少残余气体能够明显减少产品缺陷, 提高成品率。本文提到的三个案例真空泄漏都是因为焊接金属波纹管微小的漏气, 其实真空系统可能漏气地方很多, 如各种密封部件、法兰连接处、螺纹连接处、焊缝、旋转机械部件、接头部件等。金属波纹管广泛应用在金属薄膜淀积设备上, 从本文三个案例我们认识到金属波纹管在压缩和拉伸状态下泄漏可能不同, 如金属波纹管有问题不能反应工艺时的真实漏率。在实际中发现有的波纹管在压缩和伸展时漏率差异很大, 例如隔离阀在打开和关闭两个状态下金属波纹管处于压缩和拉伸, 在压缩时压力上升法测得漏率0.003 Pa/ min, 真空度可以到4.9 ×10-5 Pa, 而伸展时漏率为0.28 Pa/ min, 真空度可以到1.0 × 10-3 Pa。

  对于真空薄膜淀积工艺出现问题时, 首先要对真空系统进行彻底检漏, 排除残余气体, 杂质对薄膜特性的影响, 检漏不仅关注在工艺腔, 周围的硅片传输腔也要彻底检漏。不但要降低真空系统中残余气体的量, 提高真空度, 更要控制残余气体的成分。部分高端芯片制造厂, 近年来逐步将高压型RGA 作为线上同步监控的仪器, 不但可以同步侦测, 还可以主动传送错误或警告信息停止设备作业, 但成本较高。

  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

参考文献:
  [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]成永军,李得天,张涤新,等.极高真空校准室内残余气体的成分分析[J].真空科学与技术学报,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

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