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逻辑产品后段工艺改善

王欢  
【摘要】: 半导体工艺技术不断在发展,随着器件尺寸不断缩小,超大规模集成电路(ULSI)工艺越来越复杂,后段金属连线的尺寸也越来越缩小,金属生长和刻蚀等后段工艺的污染颗粒控制已经成为保持高成品率和高生产效率的关键问题之一,使得工艺对缺陷控制的要求越来越高。而缺陷也是影响成品率的最直接的因素之一。 本论文对在线检测技术的原理和逻辑产品的工艺进行了介绍,重点针对作者所在单位逻辑产品后段金属化工艺中出现的三种最严重缺陷进行分析和研究。缺陷是在生产制造中引进的,而最终解决缺陷问题也是通过改进工艺来完成的。本文通过大量的研究实验和理论分析,寻找解决缺陷问题、优化工艺制程的方案,获得了以下主要结果: 1.发现了甜甜圈状缺陷的产生机理并获得了抑制方法。在Al线刻蚀后在线检测发现环形类似甜甜圈状的缺陷,分布从晶圆中心到周边逐渐加重。通过跟踪良率反馈,发现其对良品率有很大损害。通过失效分析、机理研究等方法确认它是低质量的氮化钛薄膜导致甜甜圈状缺陷的产生。本文通过薄膜应力的理论分析探索了缺陷产生的机理,通过实验研究了解决缺陷问题的方法,最终获得优化方案解决了这种缺陷问题。 2.发现了小丘状缺陷的产生机理并获得了抑制方法。在铝Al线刻蚀后在线检测发现铝线边沿有突出物,且成分分析是Al本身。通过细致的跟踪实验研究,发现这种缺陷与Al线刻蚀后的退火有关。通过实验又发现,把退火步骤删除,则会出现另外一种状似“老鼠咬”的缺陷。对于这一两难问题,本文提出并试验了一种用一个反应腔连续做Ti和TiN薄膜的“1ch2pro”新工艺,它既不会产生老鼠咬缺陷,也解决了小丘状缺陷的问题。本文详细研究了小丘状缺陷的机理以及新工艺可以改善缺陷问题的原理,并通过大量的实验对新工艺做评价。 3.发现了晶须突出缺陷的产生机理并获得了抑制方法。在Al生长后可在线检测发现形状类似胡须的突起缺陷。成分分析有Al、Ti,不定期地发生,且在晶圆面内没有固定分布,对成品率有影响。为解决这种严重的缺陷问题,本文针对所有可能引起缺陷的工艺步骤都做了研究,并通过实验验证,最终确定其与Al淀积温度和钨回蚀工艺有关。钨回蚀阻挡层TiN经受了钨回蚀刻蚀时等离子体的轰击,其表面存在刻蚀损伤,而铝在这些损伤的表面上生长会发生异常生长现象,从而形成晶须突出缺陷。 针对晶须突出缺陷,本文引入了Al淀积分成两次进行的“两步铝”新工艺。第一步,先在200℃下做Al淀积,即冷铝;第二步,再在340℃下生长剩余厚度的铝,即热铝。本论文通过机理分析和实验验证,表明两步铝工艺能够较好地解决晶须突出缺陷问题。此外,本文也讨论了钨化学机械抛光法解决这钟缺陷问题的可能性。 4.最后,通过甜甜圈状缺陷、小丘状缺陷和晶须突出缺陷问题的解决方案,基于后段金属化工艺的普遍做法,同时结合考虑成品率、电学特性、线宽控制、生产成本等多方面因素,从产品质量的角度,开发出一套优化的金属化工艺制程。


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