通过序贯试验设计消除化学汽相钨淀积过程中TiN的剥离

通过改进钨化学汽相淀积的工艺条件使得TiN层的剥离被消除。确立并表征了TiN层剥离、钨薄膜均匀性及钨薄膜的应力之间的权衡关系。出乎意料的是TiN层的剥离受H2/WF6比控制。通过曲面响应方法指导一系列的实验设计,因子和范围定义通过钨反应动力学物理理论知识来限制。

问题的由来

Genus 8720 CVD钨淀积工艺从150mm硅片转变到200mm硅片上时,受到化学分解和TiN附着层剥离的影响。提供商建议的200mm硅片淀积工艺能得到较好的薄 膜均匀性,但是炉管反应生成的TiN粘附层与反应环境是化学不相容的。150mm工艺防止了TiN层的剥离,但是在200mm硅片上就会牺牲了薄膜的均匀性。众所周知,通过溅射反应生成的TiN与钨淀积环境是相兼容的,但是有必要继续使用炉管反应的TiN,虽然存在问题的,然而可以获得可接受的欧姆接触。

解决方案

由于相对较紧的项目期限,所以不太可能通过使TiN附着层硬化而达到目的。因此决定寻找一个可以消除TiN层剥离暂时的钨薄膜淀积工艺,同时薄膜性质又与150mm硅片工艺匹配。

这个实验方案被设计从没有出现TiN层剥离的150mm硅片工艺开始,通过改变工艺因子,从而寻找到工艺窗口。考虑到时间和资源的效率,使用实验设计DOE和曲面响应RSM,且通过利用已有的经验和工艺理论,来限制因子和范围的选择,使得效率进一步提高。在此,进行了三个设计实验和一个验证实验。

试验1包含3个因子和8个条件处理结合。工艺区域是很宽的工艺温度和背面Ar气流和中等的工艺压力。这个实验得到的结果用于设定工艺温度为480oC,背面Ar气流为零。工艺压力将在下一个实验中进行分析,其范围将被延伸。

实验2包含2个因子和9个条件处理结合。工艺区域是很宽的工艺压力和H2/WF6比。这个实验得到的表面响应揭示了TiN层剥离、钨薄膜均匀性和钨薄膜应力之间的权衡关系。基于这个实验的结果,项目组决定牺牲薄膜的应力,从而获得较好的均匀性且没有TiN层剥离。

实验3只包含1个因子H2/WF6比,将其取3个值。通过这个实验被设计可沿着H2/WF6轴去寻找一个最优化的工艺。实验结果发现当H2/WF6比为5时,可以得到最好的均匀性且不会出现TiN层剥离。因而被选为暂时的钨淀积工艺。

最后,通过收集16轮工艺的数据去验证新工艺是否符合要求。

结论

由于故意牺牲了薄膜的应力,所以除了应力外,所有工艺参数都符合要求。

工艺中TiN层剥离、均匀性和应力存在着权衡关系。更低的应力要求低的工艺压力,而均匀性则要求高的工艺压力。均匀性要求低的H2/WF6比,且在高的工艺压力下更好的应力也要求有低的。

H2/WF6比,但是消除TiN层剥离则要求高的H2/WF6比。H2/WF6比可设定为刚高于剥离开始出现的值,如此在没出现TiN层剥离,均匀性可以 被相对优化,其值在4至5之间。

利用实验设计和曲面响应分析,结合先前的经验和理论知识。整个实验包括验证用了不到一周半的时间。

工艺

集成电路的晶体管在硅片上形成之后,接下来进行布线连接。这道工艺是先淀积一层绝缘材料在晶体管上,作为绝缘层,然后刻出接触孔。接下来,在整个硅片上淀积金属层,通过接触孔连接晶体管。最后,一部分金属被选择地去除,留下金属条进行连接。

许多不同的金属可被用于这个金属化工艺。最近,通过化学气相沉积钨薄膜已经被优先考虑使用。这是由于CVD工艺擅长于填充足够多的金属到接触孔中,以获得较好的接触。随着集成电路的微型化的推进,接触孔的直径已经缩小到一些已经非常成熟的金属工艺如溅射和蒸发变得无能为力去填充金属到连接点的程度。因此,集成电路制造的发展,CVD钨工艺的开发是一个重要的贡献。

CVD钨工艺本身并没有问题,但是与之前的一些金属工艺相比,唯一的缺点就是CVD生成的钨薄膜不能粘附在用来隔离晶体管起绝缘作用的二氧化硅上。但是由于CVD钨薄膜能粘附于其他一些金属材料,所以在CVD钨薄膜淀积之前,在绝缘层上先淀积一层很薄的其他金属用来解决这个问题。这一层的功能是底涂层,它还有其他几个名称:粘附层,粘合层。在这项研究里将谈及到这个粘附层。在许多可能的金属里,TiN成为半导体厂商首选的粘附层金属。

然而,当CVD钨淀积反应器从150mm工艺转变到200mm工艺时,问题出现了。更大的硅片需要改进淀积工艺从而能在200mm硅片上获得可以与150mm硅片上相比较的钨薄膜。然而当工艺改进之后,TiN粘附层又不兼容于新工艺的钨反应器的工艺环境。不兼容性导致TiN层的化学分解,从而使得物理完整性退化,最后达到从硅片上剥离的程度。

考虑用如下3种方案来解决这个问题:

  1. 改变TiN附着层的工艺,使得该层薄膜更能抵抗钨淀积工艺的侵蚀。
  2. 利用完全不同的工艺淀积TiN薄膜,以抵抗侵蚀。
  3. 改善CVD钨淀积工艺去消除对TiN的侵蚀,而同时还要在200mm硅片上获得与150mm硅片上可以相比较的钨薄膜。

三种方案平行式地进行。第一种方案是首选方案,但是没有成功。第二种方案次之,但是这不符合整个项目计划期限。所以在项目期限内,只剩下第三种方案成为解决这个问题的希望。这个方案不仅包括消除TiN剥离,还要维持钨薄膜参数。

数据收集分析和结果解释

项目的成功完成需要通过3个实验去找到有用的新工艺,1个验证期去证明新工艺是可用的,给出4个分别的数据收集计划。4个计划已在项 目刚开始的时候已作了大概的描述,但是由于项目的延续性,只有在前一个计划得到可靠结果之后,后一个计划才能详细进行。下面,每一个计划将被分别进行详细 描述。因为数据收集采用静态设计原则,分析是易懂的。既然用于分析静态设计实验的方法已经建立好了,接下来的章节将着重用数据解释关键的部分。

实验1

实验1的设计很大程度上取决于先前的CVD钨工艺的知识。在将工艺反应器转换到200mm硅片前,一个拓展的设备改进项目已经完成,另外,对200mm硅片工艺来说,实验数据是可用的。

从信息的主体,项目组考虑如下三个事实是解决问题最重要的部分:一是在150mm工艺中没有发现TiN层剥离;二是150mm硅片工艺用于200mm硅片上钨薄膜较差的均匀性;三是在更高的工艺压力下,在200mm硅片上,利用150mm工艺可以得到可以接受的薄膜均匀性。

另外,还有其他几个与实验设计相关的思路。因为TiN层剥离是化学分解的结果,所以有化学背景的组员认为,既然工艺温度和绝对反应物 浓度(与工艺压力成比例)对大部分化学反应存在很强的影响,因此它们应该是剥离是否出现的主要控制因素。另一个发现就是剥离只在硅片的边缘出现,而边缘区域钨淀积受到抑制,由于用于固定硅片的机械夹具。既然硅片与夹具之间的空隙是用Ar气从背面进行冲气,所以一些组员相信,增加背面Ar的流量可能可以控制TiN层剥离。最后,众所周知钨薄膜的另外一个重要参数,薄膜的应力,其将随着工艺温度和压力的变化而变化。

所有考虑到的因素都包含到这个实验设计中。这个实验工艺区域将包括低的工艺温度,高的压力,和高的背面气流。寻找一个没有剥离且均匀性可接受的工艺窗口,而应力也将进行测量。

为了适应较紧的时间安排,因子数目设定为3。通过最近设备改进项目得出的大量数据表明,3因子是合适的。这个设计考虑到三个因子两水平如表15.1所示。除了考虑到工艺温度因素,进行顺序是随机取样的,因为工艺温度是很难改变的参数。在反应器里,1批能工艺6片硅片。由于硅片的费用, 每1轮用2片硅片。每1轮工艺时,放置2片相同的硅片。所有实验的硅片都是进行过同样的TiN工艺。实验设计和响应值见附录B。

表15.1 实验1的因子和水平
因子低水平高水平
温度440 oC500 oC
压力0.8 torr4.0 torr
背面气流0 sccm300 sccm

钨薄膜的均匀性使用四探针电阻测量测得。在每一片硅片上,测量标准的49点。均匀性被定义成标准偏差/平均值,且表示成百分数。一个先前的测量研究表明总体测量系统误差为0.04%。

薄膜应力通过光学测量硅片的弯曲度来测量,先前的测量研究表明测量系统误差为0.07Gdyn/cm2。TiN层是否剥离是通过目检进行确定的。

在现在的设备改进方案中,进行这种类型的实验已经变得程式化,因此在建立条件处理组合和测量响应时没有遇到问题。然而,由于缺少硅片,三个计划的中心点中只有一个被进行了(见附录B,原始数据)。

均匀性和应力的线性回归模型系数分别见表15.2和15.3所示。从三个主要影响和三个两因子的交互作用的模型开始,利用逐步回归获得线性回归模型。通过增加压力和降低背面Ar气流可以改善薄膜均匀性,而应力可以通过提高温度和压力来改善,也就是降低应力。

表15.2 实验1均匀性响应的线性回归系数
增加背面气流会降低均匀性,而增加压力会改善均匀性
项目系数Std, Errort-RatioProb > |t|
平均值+6.6988890.229599  
压力-0.4350000.243526-1.790.1243
背面气流+1.6575000.243526+6.810.0005
表15.3 实验1应力响应的线性回归系数
增加温度和压力,都降低应力
项目系数Std, Errort-RatioProb > |t|
平均值+8.9383330.088301  
温度-1.2050000.093658-12.870.0001
压力-0.3585000.093658-3.830.0087
实验2

实验1的结果表明,还需要另外的实验,即增加工艺压力的范围。工艺压力范围从实验1中的4torr一直沿伸到提供商的建议工艺的80torr。

由于观察到在150mm工艺和200mm工艺之间存在很大的差别,而150mm工艺和200mm工艺的H2/WF6比分别为23和2.3,所以H2/WF6比被选择作为第2个因子,其下限定为2,以包含提供商建议的工艺,上限被定为10。

实验2中,决定只考虑2个因子,使用一个中心的组合设计,在图15.2中用星号说明。尽管以往的经验方法可能建议增加因子的个数,且使用线性的而不是二次的设计,但是由于一些强制性的原因,从而采用这个方案。由于一个理论物理论点(见附录A)表明,随着H2/WF6比的变化,淀积速率上表现出曲线变化,从而淀积速率可能有局部最大值,所以决定在实验中只保持两个因子。既然在淀积速率上存在极大值,则表明在均匀性上存在极小值。这个实验是为了寻找与H2/WF6比相关的曲线而不是寻找其他因子及其交互作用。

实验2的因子和水平在表15.4中给出。制样和测量与实验1相同。主要的组合实验设计和响应值在附录B中给出。

表15.4 实验2的因子和水平
因子低水平高水平
压力480
H2/WF6比210

表15.5和15.6分别是均匀性和应力的线性回归模型系数。工艺压力和H2/WF6比对均匀性响应有很强的相互作用。全部的模型不是符合得很好,R2adj.=0.814,但是对正常地很难对模型进行响应的均匀性来说是好的。应力也受到压力和H2/WF6比的控制,在应力方面很显著的曲率半径。所有的模型符合得很好。

表15.5 实验2均匀性响应的线性回归系数及工艺压力和H2/WF6比之间存在较强的相互作用

项目系数Std, Errort-RatioProb > |t|
平均值+5.9272730.185831  
压力-1.9123350.308142  
H2/WF6比-0.2249660.308142  
压力*H2/WF6比+1.6994870.6161442.760.0282

表15.6 实验2应力响应的线性回归系数
H2/WF6比和压力控制应力,对压力有很明显的曲率半径

项目系数Std, Errort-RatioProb > |t|
平均值+7.7335510.037042  
压力-0.7374590.044084  
H2/WF6比+0.4978770.04408411.290.0001
压力2-0.4946900.070923-6.970.0002

在实验中发现了TiN层剥离。既然这只是一个目检的响应(有或者没有),所以线性回归系数表格没有列出,但是剥离出现的条件处理组合在均匀性和应力的等高线上被圈出,如图15.2所示。H2/WF6比很明显地控制TiN层剥离,这是一个关键的发现,对那些一直认为温度和压力是主要控制因子的组员是一个意外。

等高线可以用作做在三个响应之间的权衡关系。最好的均匀性出现在高压力,而最好的应力即最低的应力出现在低压力,而两者都要求低的H2/WF6比。然而,TiN层剥离出现在低的H2/WF6比,所以这个工艺区域是不可用的。

这个等高线使得项目组深信,一个响应可能折衷而达到整个项目的要求。根据这个分析,所以决定牺牲应力而得到较好的均匀性。

实验3

如图15.2所示的实验2结果表明,均匀性可以与TiN层剥离进行权衡,通过设定压力为80torr,且考虑几个H2/WF6比直到TiN层剥离开始很明显。所以第3个实验是利用单独1个因子H2/WF6比,而保持压力为一个常量80torr,去寻找剥离开始出现的阀值,条件处理组合和结果见表15.7。

表15.7 实验3的TiN层剥离响应
在H2/WF6比为4~5的某个区域,TiN剥离开始出现

压力(torr)H2/WF6比TiN层剥离
803YES
804YES
805NO

TiN剥离对实验3条件的响应如表15.7所示。出现TiN剥离的条件处理组合在图15.2中右边的等高线上圈出。在H2/WF6比为4~5的某个区域,TiN剥离开始出现。

验证

通过实验3定义的新工艺的条件如表15.8所示。在投入正式生产之前,有必要去检验这些实验结果。验证实验在新工艺条件下,连续进行16轮,并收集数据。

表15.8 新工艺的条件

参数设定值
背面气流0 sccm
温度480 oC
压力80 torr
H2/WF6比5

验证实验收集的数据如表15.9所示。没有TiN剥离被观察到,且均匀性与150mm工艺也是可以比较的。由于经过实验2后所做的决定,应力没能达到目标值。电阻系数和颗粒状况都比目标更好(在这一章中没有讨论),也就是比150mm工艺的值更低。

结论与建议

在GENUS 8720反应器中,通过增加压力从800mtorr到80torr,降低H2/WF6比从23到5,从而在200硅片上获得可以能与150硅片可比较的钨薄膜的均匀性。然而,导致了更差的应力。

如果TiN附着层在钨淀积反应器是易受化学攻击的影响,TiN剥离可以通过增加H2/WF6比,而这将会牺牲均匀性和应力。通过实验设计和曲面响应分析,在工艺技术的指导下,在项目期限内完成了实验。整个实验只用了一周半的时间。

一个暂时的方案,获得只是一个暂时的结果。建议是使用新的工艺作为暂时的解决方案直到一个更优化的方案被实施。建议最好的方案就是反应生成高质量的TiN附着层而没有剥离的影响,以致高的压力和低的H2/WF6比就可以被使用了。

附录A

在因子设定上物理影响的考虑:钨淀积反应发生在固体表面,因为真实的固体不是连续的而是原子排列。每个单元位置是有限的。在这个系统 中,两种气体反应物是H2和WF6。假定这些核素(反应的中间媒介)必须被吸收到表面从而反应得以发生,它们在固定的数目在表面位置。为了方便概念化,假定完成表面位置的覆盖(很容易想到不完全覆盖,但是目前没有必要讨论)。

定义被含有W核素占据的区域为q,所以在被不含有W的核素占据的区域为1-q。很明显,当q=0时,表面没有含有W的核素,因此淀积 速率r为零。同样当q=1时,表面只含有W的核素,因此淀积速率r也为零。所以当q取0~1之间的某个值时,淀积速率存在极大值。很直观的,极大值对应着邻近覆盖部分的区域包含充足的反应物。化学剂量比为1:1的双原子反应,这个最大值将出现在q=1/2。一个简单的数学公式表示了r与q的关系:

rμq×(1-q)……… 15.1

现在考虑到存在动态平衡在被吸附的核素和在周围氛围里的核素。这个平衡联系q到气体相的组成,气体相的组成实际上受H2/WF6比r 控制。r与q之间的函数关系是不知道的,但是这个界限是明显的,当H2流量为0时,r=0,表面全被含有W核素占据,所以q=1,当WF6的流量接近0时,r值接近1,而q接近于0。因此,可得出一个简单的数学模型:

q=e-r/f ………………15.2

其中f是一常量,其值取决于气体到表面的平衡常数。

将式15.2代入式15.1可得: rμ e-r/f×(1- e-r/f) …………..15.3

式15.3表明根据r和f的值,随着H2/WF6比r的变化淀积速率必定会出现局部极大值。最大的淀积速率对改善均匀性是很有帮助的。

附录B

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