钨刻蚀残留的改善

【摘 要】 钨CVD在现代先进集成电路制造中有着不可或缺的应用，利用氟化学药品产生等离子体刻蚀钨的钨回刻工艺在业界中被广泛地使用。在集成电路制造过程中会发生钨被刻蚀以后硅片表面仍有大面积的宏观钨残留的现象，这样会造成电路失效，导致废弃硅片。钨薄膜淀积的均匀性是造成钨刻蚀残留的主要原因，通过改善钨薄膜淀积设备的一些设置，作业方法和作业条件的合理分配，以及钨刻蚀的条件，有效地改善了钨刻蚀残留现象，减少了硅片的废弃。

【关键词】 钨CVD 钨刻蚀钨残留

1 钨在集成电路制造中的应用

钨（Tungsten，W）在集成电路制造中常被用来填充接触孔（ContactHoles）或金属层之间的接触孔（ViaHoles），以形成所谓的栓塞（Plug）来连接金属层与硅或者是不同的金属层。随着集成电路器件特征尺寸的不断缩小，连线层之间的接触孔会变得更小更窄。因为物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition，PVD）铝不可能用来填充这些狭窄的接触孔而不产生空洞（Void）。有空洞的接触孔会因为接触孔的金属横截面积较小，而引起高的接触孔电阻和高密度电流，因而产生过多地热量进而加快损坏IC器件。所以就发展出其他的方法。在这个步骤里使用大的RF功率，大的SF6流量，以产生高密度的F+离子，这样便可获得较高的刻蚀速率。但是在这个步骤中等离子体对硅片表面的损伤较大，刻蚀的面内均匀性较差。

第二步、根据EPD（EndPointDetect）停止。当钨将被刻蚀完时，F+离子的浓度开始上升，当上升的斜率达到设定值时，这个步骤停止，进入下一步骤。在这一步骤中RF功率和SF6流量相对第一步较小，因而刻蚀速率和对硅片表面的损伤都较小。

第三步、再刻蚀。第二步结束以后再用与第二步相同的刻蚀速率继续刻蚀一定时间，保证硅片表面的钨全部被刻蚀干净。

4 钨刻蚀残留的影响

钨刻蚀残留通常是指刻蚀后硅片表面仍有大面积的宏观钨残留，残留区域的SEM照片如图1所示。这样的残留使接触孔仍连接在一起，造成电路短路、失效，情况严重时则会导致废弃硅片。

发生钨刻蚀残留时往往会同时伴随着部分区域过刻蚀的现象，SEM照片如图2所示。栓塞损失过大而超过规格时同样也会导致废弃硅片。

5 钨刻蚀残留的原因

钨刻蚀残留的原因有很多，其中最主要的原因是钨薄膜淀积的均匀性和刻蚀速率的均匀性。5.1 机械手搬送位置不稳定

钨CVD设备的机械手搬送位置不稳定，将硅片送入反应腔后会有位置的偏差，造成硅片在反应腔的加热器（Heater）上不能被很好的吸附，背面压力控制不好，背面氩气流量偏低，使硅片表面受热不均匀，导致淀积的钨薄膜厚度均匀性差，刻蚀后会产生残留。

5.2 机械手搬送位置不佳

钨CVD设备的机械手搬送速度过快，将硅片送入反应腔后也会引起有位置的偏差。钨CVD设备的机械手搬送位置不准确，会造成机械手将硅片放入反应腔的位置有偏差，严重时硅片会搁置在HEATER边缘的PURGERING上。由于purgering温度较低，因而该位置的钨薄膜厚度会较薄，从而导致淀积的钨薄膜厚度均匀性变差，刻蚀后会产生W残留现象。

5.3 加热器表面状态不好或加热不均匀

加热器表面状态不好，不平整、太粗糙，也会使硅片在反应腔的加热器上不能被很好的吸附，导致淀积的钨薄膜厚度均匀性差，刻蚀后产生钨的残留现象。加热器加热不均匀，会造成局部温度异常，从而影响W的生长，影响均匀性，刻蚀后造成局部过刻。

5.4 Throttlevalve状态不良

W生长工艺腔通过Throttlevalve来控制压力。Throttlevalve是通过马达控制阀体的开度，从而控制腔体的压力。控制反应腔内压力的Throttlevalve阻尼过大、反应慢，也会使背面氩气流量偏低，导致淀积的钨薄膜厚度均匀性变差，刻蚀后造成残留。

5.5 钨薄膜均匀性不好

硅片上的钨薄膜中间厚周边薄，而钨刻蚀设备的刻蚀速率是周边比中间快，两种情况叠加起来就会造成中间有钨刻蚀残留。

5.6 钨生长模式影响

钨薄膜成长有去边模式（CMP模式）和不去边模式（Naomal模式）。去边模式边缘区域没有钨薄膜，直到1.6mm处钨薄膜厚度才和不去边模式的相当；而不去边模式的边缘钨薄膜厚度和中间相同。刻蚀钨时，周边的刻蚀速率比中间快，再加上不去边模式边缘没有钨薄膜，TiN薄膜直接暴露在外面，所以去边模式比不去边模式更容易边缘过刻，中间残留。而且去边模式的钨刻蚀速率比不去边模式的钨刻蚀速率快8%-14%。因此对于钨回刻工艺来说，钨薄膜成长的去边模式相对于不去边模式Margin缩小了。

5.7 钨刻蚀不充分

钨刻蚀是将endpoint检查点装在刻蚀腔的边缘。当边缘的钨被刻蚀干净时endpoint就会检测到，但是由于硅片中间的刻蚀速率比边缘慢，所以这时中间的钨还没有被完全刻蚀干净，还需要一个再刻蚀（overetch）的步骤。如果再刻蚀时间不充分，则中间仍会有W残留。但是再刻蚀的时间也不能太长，否则边缘会有过大的插塞损失。所以再刻蚀时间要调整在既不存在钨残留，也不造成过大的插塞损失的适当范围内。

5.8 切换温度的影响

钨薄膜生长温度根据不同的工艺需要可分为425℃、450℃和475℃。当两批采用不同钨淀积温度的产品需要在一个机台作业时，需要机台由一个温度切换为另一个温度。由于刚切换后温度不是很稳定，会造成切换温度后作业的那批产品有钨刻蚀残留。

6 钨刻蚀残留的改善

根据以上的可能原因，我们提出了以下的改善方案：

（1）监控钨CVD设备的机械手搬送位置的稳定性，定期对机械手进行home。Home就是让机械手找到homesensor，回到homesensor位置处。如果机械手位置有偏移就需要确认机械手零点位置。方法是让机械手找到HOME位置后，回到零点位置，用专门的工具确认机械手零点，如果零点有偏差，那么就要进行调整。如果还不能解决机械手不稳定的问题，就需要对机械手进行大修，更换换新的机械手和马达。

（2）降低钨CVD设备的机械手的搬送速度。一定要确认好机械手送硅片进工艺腔的位置，为可靠起见，一般需要两个人共同确认搬送位置。在工艺腔进行定期维护后，要在高温下进行机械手送硅片进工艺腔的位置调整，尽量减少误差，保证硅片放在工艺腔加热器的中间位置。

（3）发现加热器表面粗糙或温度不均匀，对加热器进行研磨，改善加热器表面状况。若加热器表面恶化则更换新的加热器。

（4）定期对Throttlevalve进行检查，一旦阻尼过大的话，对阀进行清洁处理，或进行检修，以改善Throttlevalve的状况。

（5）由于钨刻蚀设备很难改变刻蚀速率周边比中间快的特性，经研究发现，只有适当的将钨薄膜调整为周边比中间膜厚厚一些，可以改善钨刻蚀的残留现象。

（6）钨回刻蚀工艺的产品尽量不在去边模式的钨CVD设备作业，而在没有去边的设备作业。

（7）在保障插塞在规范内的前提下，增加再刻蚀时间。在每个产品上做过刻蚀时间的实验，找出最佳的过刻蚀时间，并且确认好每个过刻蚀时间有2秒钟的余量（margin）。

（8）在做温度切换前先做25枚切换温度的假片，温度稳定后再做产品。在生产监视控制系统GPC中增加监视温度的项目。使用软件来监控背压和背面氩气流量，及时发现问题，避免异常扩大。

7 结语

在华虹宏力，由于钨刻蚀残留而导致的废弃硅片数占了所有钨生长装置废弃硅片数的一半以上，所以如何减少钨刻蚀残留现象的产生对于我们来说是一个挑战。通过长期的实验和深入研究，我们总结了一系列的改善方案并成功的将这些改善方案运用到生产实践中，通过这一系列的改善措施后，钨刻蚀残留而导致的产品硅片废弃有了明显的减少。

钨刻蚀残留改善过程是一个长期和系统的过程，要通过设备和工艺两方面进行改善和优化，保证产品的稳定性和良品率。在硬件方面，设备部品改善方面还有许多工作可以做，软件方面，RECIPE的改善和产品温度的统一是下一步的工作重点。随着产品的要求不断提高，我们面临越来越多的挑战.我们要更加深入地分析问题并解决问题，尽量减少钨刻蚀残留。

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