鈍化層刻蝕對(duì)厚鋁鋁須缺陷影響的研究

國(guó)產(chǎn)中微機(jī)臺(tái)在鈍化層刻蝕工藝應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)容易導(dǎo)致后續(xù)的鋁薄膜濺射工藝出現(xiàn)鋁須缺陷（Whisker），進(jìn)而造成產(chǎn)品出現(xiàn)開(kāi)路/短路良率異常。影響 AL whisker 的因素很多，主要有兩方面：一是由于 AL film 和上下地間 TiN film 之間熱應(yīng)力的不匹配容易導(dǎo)致 AL whisker，其主要由鋁濺射自身工藝能力決定；二是前層表面狀況的影響。討論中微機(jī)臺(tái)刻蝕后的表面殘留導(dǎo)致 Al 濺射后出現(xiàn)鋁須缺陷的現(xiàn)象，并對(duì)其成因進(jìn)行系統(tǒng)性分析，同時(shí)對(duì)其解決方案進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：集成電路制造；鈍化層刻蝕；表面殘留；鋁晶須缺陷；開(kāi)路/短路良率失效

1 引言

隨著器件尺寸的不斷縮小對(duì)于后端金屬布線低電阻阻抗和良好散熱的要求越來(lái)越苛刻，金屬布線進(jìn)入銅互連時(shí)代。但由于鋁表面更容易形成氧化鋁鈍化層從而阻止自身被進(jìn)一步氧化和腐蝕，所以頂層金屬連線基于封裝引線的要求仍然選擇更具穩(wěn)定性的鋁線工藝[1-4]。

中微機(jī)臺(tái)在 55LP 鈍化層刻蝕工藝展開(kāi)階段產(chǎn)品上反饋有開(kāi)路/短路良率異常，良率失效主要分布在晶片（wafer）邊緣區(qū)域，良率損失約 2~4%。開(kāi)路/短路良率失效分布跟在線 APL-DEP 站點(diǎn)后檢測(cè)到的鋁須缺陷分布高度一致，如圖 1 所示。

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品缺陷進(jìn)行 TEM 剖面分析發(fā)現(xiàn)由于缺陷的存在導(dǎo)致兩條鋁線之間的間距區(qū)域底部存在鋁殘留，而這也是導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)開(kāi)路/短路良率失效的原因所在，如圖 2 所示。

2 鋁須缺陷造成良率失效實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

鋁薄膜濺射工藝過(guò)程中的鋁須缺陷（whisker）是業(yè)界普遍存在的問(wèn)題，很難徹底消除，尤其是鋁膜厚度超過(guò) 20 k? 的厚鋁工藝。但業(yè)界對(duì) whisker通常的認(rèn)知是不會(huì)對(duì)產(chǎn)品良率造成負(fù)面的影響，實(shí)際上通過(guò)了解業(yè)內(nèi)幾個(gè)主流 IC 制造 FAB 的情況來(lái)看，普遍存在較嚴(yán)重的 whisker 缺陷問(wèn)題，同時(shí)這種類型的缺陷也確實(shí)沒(méi)有造成產(chǎn)品良率失效。

但華力 55LP 平臺(tái)產(chǎn)品上良率跟鋁須缺陷之間的出現(xiàn)了很強(qiáng)相關(guān)性，究其原因存在以下兩種可能：（1）華力 55LP 產(chǎn)品平臺(tái)由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的需要主要采用的是 28 k? 鋁膜厚度，其屬于典型的厚鋁工藝，鋁濺射薄膜厚度越厚鋁須缺陷的工藝窗口約小，whisker 缺陷越難以控制。（2）在產(chǎn)品版圖設(shè)計(jì)上鋁線之間的間距相對(duì)較小，因此產(chǎn)品對(duì)晶須缺陷的容忍度越低，對(duì)鋁須缺陷的要求也越高。華力 55LP 產(chǎn)品鋁線最小設(shè)計(jì)尺寸約 1.8μm。當(dāng) whisker 缺陷尺寸（通常在 1~2μm）跟鋁線寬 space 可以相比擬時(shí)，這種缺陷就可能會(huì)造成鋁線之間的短路，最終造成產(chǎn)品出現(xiàn)良率問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行逐層跟蹤分析（見(jiàn)圖 3），可以看到當(dāng)鋁須缺陷恰好落在很窄的兩條鋁線 Space 附近的時(shí)候?qū)?huì)造成鋁線之間的短路，當(dāng)然這種情況的發(fā)生存在一定的幾率，但當(dāng)鋁須缺陷達(dá)到一定的數(shù)量時(shí)，這種幾率將不可以被忽視；因此可以看出華力 55LP 平臺(tái)產(chǎn)品對(duì)鋁須缺陷的容忍度更低，要求更高。

3 中微機(jī)臺(tái)鋁須缺陷成因分析

3.1由刻蝕主因造成的 whisker 缺陷機(jī)理分析

影響 AL whisker 的因素很多，主要有兩個(gè)方面：（1）由于 AL film 和上下地間 TiN film 之間熱應(yīng)力的不匹配容易導(dǎo)致 AL whisker，其主要由鋁濺射自身工藝能力決定。（2）前層表面狀況的影響，如前層鈍化層刻蝕后的表面狀況、刻蝕后濕法腐蝕去除表面聚合物（polymer）能力等。

55LP 鈍化層刻蝕基準(zhǔn)條件是 LAM FlexDD 機(jī)臺(tái)，相對(duì) LAM 基準(zhǔn)條件中微機(jī)臺(tái)的鋁須缺陷狀況明顯要差。基于 Al whisker 缺陷形成機(jī)理懷疑中微機(jī)臺(tái)刻蝕后 wafer 表面聚合物過(guò)重，從而造成其后的鋁濺射薄膜工藝過(guò)程中形成較嚴(yán)重的鋁須缺陷。因此在中微機(jī)臺(tái)腔體進(jìn)行聚合物（polymer）惡化實(shí)驗(yàn)以確認(rèn) wafer polymer 跟 Al whisker 之間的相關(guān)性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：過(guò)重的 wafer 表面 polymer將導(dǎo)致嚴(yán)重 Al whisker 缺陷，同時(shí) wafer 邊緣鋁須缺陷明顯嚴(yán)重，其分布跟產(chǎn)品開(kāi)路/短路失效分布一致。圖 4，聚合物惡化實(shí)驗(yàn)@AMEC 出現(xiàn) worse 鋁須缺陷分布。

通過(guò)使用掃描電子顯微鏡，對(duì)刻蝕后的 wafer 表面狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，AMEC 機(jī)臺(tái) wafer 邊緣 polymer 狀態(tài)相對(duì) LAM 基準(zhǔn)條件明顯要差（如圖 5 所示），這也跟 wafer 邊緣容易出現(xiàn)嚴(yán)重鋁須缺陷吻合。

3.2 中微機(jī)臺(tái)刻蝕聚合物狀況分析

基于以上分析，中微機(jī)臺(tái)刻蝕后的 wafer 邊緣表面 polymer 較重，這也是導(dǎo)致 wafer 邊緣鋁須缺陷的原因所在。

以 LAM 機(jī)臺(tái)作為基準(zhǔn)，下面我們?cè)囍鴱膰?guó)產(chǎn)中微機(jī)臺(tái)的工藝條件、腔體結(jié)構(gòu)，部件材料等多個(gè)角度進(jìn)行系統(tǒng)性的比對(duì)分析，從而確認(rèn) wafer 邊緣表面polymer 較重的根本原因有以下三個(gè)方面：RF 系統(tǒng)差異；上電極（Shower head）材質(zhì)差異；工藝條件差異。分別進(jìn)行闡述。

（1）RF 系統(tǒng)差異。中微機(jī)臺(tái) Source RF 采用了 60 MHz 高頻，而 LAM 采用 27 MHz 相對(duì)低頻的 RF交流電源。采用更高的 Source RF 頻率反應(yīng)氣體將更容易發(fā)生電離，相對(duì) 27 MHz RF，同一工藝條件下 60 MHz RF 等離子濃度高約 50%，更高的等離子體（plasma）濃度將會(huì)產(chǎn)生更多的聚合物，如圖 6 所示。

（2）上電極（Shower head）材質(zhì)差異：中微機(jī)臺(tái)上電極采用 SiC 材質(zhì)，LAM 采用存 Silicon 材質(zhì)。Si-Si 鍵能 222 KJ/mol, 而 Si-C 鍵能達(dá)到 318 KJ/mol，由于 Si-C 具有更強(qiáng)的鍵能，使得 Si-C 材質(zhì)物理特性更穩(wěn)定，具有更高的抗刻蝕性能。所以相對(duì)于純 Si 上電極，等離子體中與 SiC 材質(zhì)上電極產(chǎn)生反應(yīng)的 CF* 活性成分更少，也就是更多的 CF* 成分與 wafer 介質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，因此也產(chǎn)生更多的聚合物。

（3）工藝條件差異：中微機(jī)臺(tái)采用 CF4/CHF3刻蝕工藝氣體，同時(shí)上電極工藝溫度設(shè)定 120℃，而 LAM 主要采用 CF4 工藝氣體，上電極工藝溫度設(shè)定為 80℃，如圖 7 所示。

CF4/CHF3 刻蝕工藝氣體由于 CHF3 的存在將產(chǎn)生更低 F/C 比例的等離子體，因此將產(chǎn)生更多的polymer。同時(shí)更高的上電極工藝溫度設(shè)定將會(huì)促使刻蝕工藝過(guò)程中聚合物更容易趨向于 wafer，從而在wafer 表面形成更重的 polymer。

4 改善方案探討

針對(duì)聚合物產(chǎn)生的原因分析，為解決刻蝕后表面聚合物狀態(tài)過(guò)重問(wèn)題，并最終解決后續(xù) Al 濺射過(guò)程中產(chǎn)生鋁須缺陷的問(wèn)題。考慮從 2 個(gè)方向進(jìn)行改善。

（1）聚焦環(huán)部件優(yōu)化。針對(duì)原因 1 和原因 2，通過(guò)優(yōu)化聚焦環(huán)部件來(lái)改善 wafer 邊緣 polymer 聚集狀況。

聚焦環(huán)部件優(yōu)化基于原因 1 和原因 2，可以看出由于中微機(jī)臺(tái)的腔體結(jié)構(gòu)的特性造成工藝 polymer 相對(duì) LAM 較重，尤其在 wafer 邊緣區(qū)域。為此，通過(guò)聚焦環(huán)部件尺寸來(lái)改善 wafer 邊緣聚合物聚集狀況，如圖 8 所示。

通過(guò)增加 wafer 與聚焦環(huán)之間的縱向間距（從0.18 mm 增加至 0.88 mm），從而在 wafer edge/bevel區(qū)域引入 plasma 以幫助清除 wafer edge/bevle 區(qū)域的polymer，進(jìn)而改善 wafer 邊緣的聚合物狀況。

（2）工藝條件優(yōu)化。針對(duì)原因 3，優(yōu)化工藝配方通過(guò)去除 CHF3 polymer gas 以降低 polymer。同時(shí)上電極溫度設(shè)定從 120℃ 降低到 80℃，促使刻蝕工藝過(guò)程中聚合物更容易趨向于 wafer。從而在 wafer 表面形成更重的 polymer。

圖 9，相同倍率下新/舊聚焦環(huán) wafer 邊緣表面狀態(tài)比對(duì)。圖 10，新條件缺陷及良率結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）55LP 鈍化層刻蝕后表面的 polymer 過(guò)重容易導(dǎo)致鋁膜濺射工藝出現(xiàn)較嚴(yán)重的鋁須缺陷，并造成出現(xiàn)開(kāi)路/短路良率失效。

（2）國(guó)產(chǎn)中微機(jī)臺(tái)由于腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工藝條件設(shè)定上的差異造成刻蝕后 wafer 邊緣聚合物過(guò)重，并且很難被后續(xù)的濕法腐蝕去除。

（3）通過(guò)聚焦環(huán)部件優(yōu)化、刻蝕程式優(yōu)化及上電極溫度調(diào)整有效地改善刻蝕后 wafer 邊緣聚合物狀況，并最終解決避免出現(xiàn)鋁須缺陷的問(wèn)題。

本論文借助于 SEM、TEM 等多種分析工具找出了中微機(jī)臺(tái)鈍化層刻蝕開(kāi)路/短路良率失效的根本原因，并通過(guò)系統(tǒng)化分析給出了有效的解決方案，從而及時(shí)解決了國(guó)產(chǎn)中微機(jī)臺(tái)在量產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的低良率問(wèn)題，確保機(jī)臺(tái)產(chǎn)能滿足公司的量產(chǎn)需求，同時(shí)為國(guó)產(chǎn)機(jī)臺(tái)在工藝應(yīng)用推廣方面做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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