钝化层刻蚀对厚铝铝须缺陷影响的研究

钝化层刻蚀对厚铝铝须缺陷影响的研究

国产中微机台在钝化层刻蚀工艺应用中发现容易导致后续的铝薄膜溅射工艺出现铝须缺陷（Whisker），进而造成产品出现开路/短路良率异常。影响 AL whisker 的因素很多，主要有两方面：一是由于 AL film 和上下地间 TiN film 之间热应力的不匹配容易导致 AL whisker，其主要由铝溅射自身工艺能力决定；二是前层表面状况的影响。讨论中微机台刻蚀后的表面残留导致 Al 溅射后出现铝须缺陷的现象，并对其成因进行系统性分析，同时对其解决方案进行详细的介绍。

关键词：集成电路制造；钝化层刻蚀；表面残留；铝晶须缺陷；开路/短路良率失效

1  引言

随着器件尺寸的不断缩小对于后端金属布线低电阻阻抗和良好散热的要求越来越苛刻，金属布线进入铜互连时代。但由于铝表面更容易形成氧化铝钝化层从而阻止自身被进一步氧化和腐蚀，所以顶层金属连线基于封装引线的要求仍然选择更具稳定性的铝线工艺[1-4]。

中微机台在 55LP 钝化层刻蚀工艺展开阶段产品上反馈有开路/短路良率异常，良率失效主要分布在晶片（wafer）边缘区域，良率损失约 2~4%。开路/短路良率失效分布跟在线 APL-DEP 站点后检测到的铝须缺陷分布高度一致，如图 1 所示。

通过对产品缺陷进行 TEM 剖面分析发现由于缺陷的存在导致两条铝线之间的间距区域底部存在铝残留，而这也是导致产品出现开路/短路良率失效的原因所在，如图 2 所示。

2  铝须缺陷造成良率失效实验和数据分析

铝薄膜溅射工艺过程中的铝须缺陷（whisker）是业界普遍存在的问题，很难彻底消除，尤其是铝膜厚度超过 20 kÅ 的厚铝工艺。但业界对 whisker通常的认知是不会对产品良率造成负面的影响，实际上通过了解业内几个主流 IC 制造 FAB 的情况来看，普遍存在较严重的 whisker 缺陷问题，同时这种类型的缺陷也确实没有造成产品良率失效。

但华力 55LP 平台产品上良率跟铝须缺陷之间的出现了很强相关性，究其原因存在以下两种可能：（1）华力 55LP 产品平台由于产品设计上的需要主要采用的是 28 kÅ 铝膜厚度，其属于典型的厚铝工艺，铝溅射薄膜厚度越厚铝须缺陷的工艺窗口约小，whisker 缺陷越难以控制。（2）在产品版图设计上铝线之间的间距相对较小，因此产品对晶须缺陷的容忍度越低，对铝须缺陷的要求也越高。华力 55LP 产品铝线最小设计尺寸约 1.8μm。当 whisker 缺陷尺寸（通常在 1~2μm）跟铝线宽 space 可以相比拟时，这种缺陷就可能会造成铝线之间的短路，最终造成产品出现良率问题。

通过对产品进行逐层跟踪分析（见图 3），可以看到当铝须缺陷恰好落在很窄的两条铝线 Space 附近的时候将会造成铝线之间的短路，当然这种情况的发生存在一定的几率，但当铝须缺陷达到一定的数量时，这种几率将不可以被忽视；因此可以看出华力 55LP 平台产品对铝须缺陷的容忍度更低，要求更高。

3  中微机台铝须缺陷成因分析

3.1由刻蚀主因造成的 whisker 缺陷机理分析 

影响 AL whisker 的因素很多，主要有两个方面：（1）由于 AL film 和上下地间 TiN film 之间热应力的不匹配容易导致 AL whisker，其主要由铝溅射自身工艺能力决定。（2）前层表面状况的影响，如前层钝化层刻蚀后的表面状况、刻蚀后湿法腐蚀去除表面聚合物（polymer）能力等。

55LP 钝化层刻蚀基准条件是 LAM FlexDD 机台，相对 LAM 基准条件中微机台的铝须缺陷状况明显要差。基于 Al whisker 缺陷形成机理怀疑中微机台刻蚀后 wafer 表面聚合物过重，从而造成其后的铝溅射薄膜工艺过程中形成较严重的铝须缺陷。因此在中微机台腔体进行聚合物（polymer）恶化实验以确认 wafer polymer 跟 Al whisker 之间的相关性。

实验结果表明：过重的 wafer 表面 polymer将导致严重 Al whisker 缺陷，同时 wafer 边缘铝须缺陷明显严重，其分布跟产品开路/短路失效分布一致。图 4，聚合物恶化实验@AMEC 出现 worse 铝须缺陷分布。

通过使用扫描电子显微镜，对刻蚀后的 wafer 表面状态进行比对分析发现，AMEC 机台 wafer 边缘 polymer 状态相对 LAM 基准条件明显要差（如图 5 所示），这也跟 wafer 边缘容易出现严重铝须缺陷吻合。

3.2 中微机台刻蚀聚合物状况分析

基于以上分析，中微机台刻蚀后的 wafer 边缘表面 polymer 较重，这也是导致 wafer 边缘铝须缺陷的原因所在。

以 LAM 机台作为基准，下面我们试着从国产中微机台的工艺条件、腔体结构，部件材料等多个角度进行系统性的比对分析，从而确认 wafer 边缘表面polymer 较重的根本原因有以下三个方面：RF 系统差异；上电极（Shower head）材质差异；工艺条件差异。分别进行阐述。

（1）RF 系统差异。中微机台 Source RF 采用了 60 MHz 高频，而 LAM 采用 27 MHz 相对低频的 RF交流电源。采用更高的 Source RF 频率反应气体将更容易发生电离，相对 27 MHz RF，同一工艺条件下 60 MHz RF 等离子浓度高约 50%，更高的等离子体（plasma）浓度将会产生更多的聚合物，如图 6 所示。

（2）上电极（Shower head）材质差异：中微机台上电极采用 SiC 材质，LAM 采用存 Silicon 材质。Si-Si 键能 222 KJ/mol, 而 Si-C 键能达到 318 KJ/mol，由于 Si-C 具有更强的键能，使得 Si-C 材质物理特性更稳定，具有更高的抗刻蚀性能。所以相对于纯 Si 上电极，等离子体中与 SiC 材质上电极产生反应的 CF* 活性成分更少，也就是更多的 CF* 成分与 wafer 介质进行反应，因此也产生更多的聚合物。

（3）工艺条件差异：中微机台采用 CF4/CHF3刻蚀工艺气体，同时上电极工艺温度设定 120℃，而 LAM 主要采用 CF4 工艺气体，上电极工艺温度设定为 80℃，如图 7 所示。

CF4/CHF3 刻蚀工艺气体由于 CHF3 的存在将产生更低 F/C 比例的等离子体，因此将产生更多的polymer。同时更高的上电极工艺温度设定将会促使刻蚀工艺过程中聚合物更容易趋向于 wafer，从而在wafer 表面形成更重的 polymer。

4  改善方案探讨

针对聚合物产生的原因分析，为解决刻蚀后表面聚合物状态过重问题，并最终解决后续 Al 溅射过程中产生铝须缺陷的问题。考虑从 2 个方向进行改善。

（1）聚焦环部件优化。针对原因 1 和原因 2，通过优化聚焦环部件来改善 wafer 边缘 polymer 聚集状况。

聚焦环部件优化基于原因 1 和原因 2，可以看出由于中微机台的腔体结构的特性造成工艺 polymer 相对 LAM 较重，尤其在 wafer 边缘区域。为此，通过聚焦环部件尺寸来改善 wafer 边缘聚合物聚集状况，如图 8 所示。

通过增加 wafer 与聚焦环之间的纵向间距（从0.18 mm 增加至 0.88 mm），从而在 wafer edge/bevel区域引入 plasma 以帮助清除 wafer edge/bevle 区域的polymer，进而改善 wafer 边缘的聚合物状况。

（2）工艺条件优化。针对原因 3，优化工艺配方通过去除 CHF3 polymer gas 以降低 polymer。同时上电极温度设定从 120℃ 降低到 80℃，促使刻蚀工艺过程中聚合物更容易趋向于 wafer。从而在 wafer 表面形成更重的 polymer。

图 9，相同倍率下新/旧聚焦环 wafer 边缘表面状态比对。图 10，新条件缺陷及良率结果。

5  结语

（1）55LP 钝化层刻蚀后表面的 polymer 过重容易导致铝膜溅射工艺出现较严重的铝须缺陷，并造成出现开路/短路良率失效。

（2）国产中微机台由于腔体结构设计以及工艺条件设定上的差异造成刻蚀后 wafer 边缘聚合物过重，并且很难被后续的湿法腐蚀去除。

（3）通过聚焦环部件优化、刻蚀程式优化及上电极温度调整有效地改善刻蚀后 wafer 边缘聚合物状况，并最终解决避免出现铝须缺陷的问题。

本论文借助于 SEM、TEM 等多种分析工具找出了中微机台钝化层刻蚀开路/短路良率失效的根本原因，并通过系统化分析给出了有效的解决方案，从而及时解决了国产中微机台在量产过程中出现的低良率问题，确保机台产能满足公司的量产需求，同时为国产机台在工艺应用推广方面做出贡献。

参考文献

[1] MiCHAEL Quirk，Julian Seada，韩郑生.半导体制造技术[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[2] K.A.Jackson，屠海令，万群.半导体工艺[M]. 北京：科学出版社，1999.

[3] A. Agarwal, S. Banna, V. Todarow, S. Rauf, and K. Collins.Trans[J]. Plasma Sci, 2011, 39(2516). 

[4] The science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Stephen A[M]. Campbell, 2001.