金属掩膜刻蚀（MHM）微小颗粒缺陷分析及改善方案研究_李光磊.pdf

44 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Process and Fabrication工艺与制造摘要：阐述平台产品（HKB）量产过程中产生的所有微小颗粒缺陷发生的晶圆正十字方向位置，金属掩膜刻蚀（MHM）微小颗粒缺陷的形成机理，探讨缺陷成因和解决方案。关键词：集成电路制造，金属掩膜刻蚀，微小颗粒缺陷，Tiny PA，MHM。中图分类号：TN405 文章编号：1674-2583(2023)01-0044-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.015文献引用格式：李光磊.金属掩膜刻蚀（MHM）微小颗粒缺陷分析及改善方案研究J.集成电路应用,2023,40(01):44-46.的，通常会造成产品性能测试失效或者良率测试低下。微小颗粒缺陷在工艺结束的瞬间由于反应腔体的气体或压力波动，最后通过静电吸附反应作用留着晶圆表面。产品HKB金属掩膜刻蚀工艺(MHM)在量产过程中长期特殊位置的微小颗粒缺陷异常发生率高(6/10-4)的问题，远高于业界标准。毫无疑问，这是一个需要急待解决的难题。2 微小颗粒缺陷形成机理在半导体介质刻蚀工艺中面对的缺陷很多，微小颗粒缺陷在整个流程中普遍存在。一方面刻蚀工艺RF射频功率波动，压力以及气体波动会增加它的发生概率，另一方面腔体清洁外排过程出现波动异常，随着工艺越来越复杂，对微小缺陷的要求越来高，28nm制程通常使用6层甚至更多层进行互联，叠加微小颗粒形成后段铜短线的概率更大，如图2。金属掩膜刻蚀中的微小颗粒缺陷，是在刻蚀结0 引言晶圆缺陷在半导体刻蚀工艺中一直是业界普遍存在的难题，很难彻底根除，尤其是微小颗粒。在金属掩膜刻蚀中产生的微小颗粒缺陷通常发生在晶圆多种分布，其中随机分布，条形分布以及边缘较为普遍，其危害在于对后续工艺产能不可逆的影响，后续层间一体刻蚀工艺中形成阻挡缺陷，再传递到金属研磨工艺导致金属断线。1 研究背景严重情况下，在整个Die的电路测试中出现电路异常。特定位置（如图1）的微小颗粒缺陷会极大概率破坏整片晶圆的金属布线使得所集中的Die进行电路或者良率测试时发生短路。随着晶圆作业光罩的数量越来越多，晶边的环境更加难以控制，残留缺陷更容易形成，脱落概率更加随机，后段铜互连工艺越来越复杂，微小颗粒缺陷问题带来的挑战越来越突出，且对产品的影响是致命金属掩膜刻蚀（MHM）微小颗粒缺陷分析及改善方案研究李光磊（上海华力集成电路制造有限公司，上海 201203）Abstract This paper describes the positive cross position of the wafer where all the micro-particle defects generated during the mass production of the platform product(HKB)occur,the formation mechanism of the micro-particle defects in the metal mask etching(MHM),and discusses the causes of the defects and solutions.Index Terms IC manufacturing,metal mask etching,micro-particle defect,Tiny PA,MHM.Analysis and Improvement of Micro-particle Defects in Metal Mask Etching(MHM)LI Guanglei(Shanghai Huali Integrated Circuit Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai 201203,China.)作者简介：李光磊，上海华力集成电路制造有限公司；研究方向：集成电路制造。收稿日期：2022-08-22；修回日期：2022-12-23。图1 特殊位置微小颗粒缺陷图2 微小颗粒缺陷在后段制程的影响集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 45Process and Fabrication 工艺与制造束后掉落至晶圆表面，反应过程掉落的微小颗粒是形成另外一种阻断式缺陷，针对微小颗粒的缺陷形成三个主要原因（图3），（1）缺陷源太大，因为该缺陷所在位置固定；（2）腔体在同步清洁吹扫的过程不够充分，无法被去除；（3）静电吸附盘（ESC）残留电荷吸附微小颗粒至固定缺陷位置。3 产品A微小颗粒缺陷的现象描述产品A金属掩膜刻蚀(MHM)工艺在量产过程长期存在微小颗粒缺陷(Tiny PA)，调查发现绝大部分的微小颗粒缺陷发生在晶圆固定8个方向，如图4所示。该缺陷通过机台设定角度变更，无法改变缺陷的位置。当微小缺陷发生的时候，进行宏观显微镜观察，未发现异常在晶圆边缘，如图5。同时我们对晶圆的边缘进行缺陷扫描确认，未发现异常，如图6。平行展开确认，只有28HK平台遇到该特殊位置的缺陷，如表7所示。4 产品A微小颗粒缺陷成因分析根据以上的描述，我们看到绝大部分的微小颗粒缺陷均发生在晶圆固定的位置上。很明显该缺陷跟前层存在强相关性。再从平台的平行展开来看，28HK产品A单独遇到该缺陷问题。4.1微小颗粒缺陷样本分析针对微小颗粒缺陷借助SEM&OM工具进行放大观察分析，发现存在以下规律：（1）该缺陷成分分析为C/Si/O；（2）该缺陷可以通过WET Scrubber进行部分去除。以上两种特性如图7所示。4.2 微小颗粒缺陷恶化实验分析由于微小颗粒缺陷的位置比较固定，希望通过在晶边加一步晶圆边缘刻蚀，将晶圆背部的异常缺陷进行恶化，结果发现新增晶边刻蚀的晶圆缺陷更加明显且位置固定。如图8所示。5 改善方案探讨基于微小颗粒缺陷产生机理分析，研究并制定多组方案进行系统性优化。5.1 前层晶背晶边的预处理根据以上的微小颗粒缺陷机理分析，为改善前层工艺窗口，晶圆晶背以及边缘应尽可能地避免存在过渡损耗。因此制定了以下两种方案：（1）减少晶边刻蚀过程：通过恶化实验结果，该方案显而易见，目前每层晶边刻蚀都是在铜研磨工艺前进行。通过跟客户的申报该方案进行了可实行操作流程。（2）减少晶背清洗：受到了后段污染等级的变更影响，每一层光罩需要进两次晶背清洗过程，确保污染等级保持一致性。该方案在经过了前层光刻的大量数据验证下，可以不经过晶背清洗进入到污染等级是铜的可视区域，大大减少了晶背清洗带来的晶背膜质损耗。表1 不同平台的产品代表图5 产品A微小颗粒缺陷在宏观观察对比图3 微小颗粒缺陷形成的三个原因图4 产品A微小颗粒缺陷在晶圆固定位置上图6 产品A微小颗粒缺陷在晶圆边缘的缺陷扫描图7 微小颗粒缺陷成分分析以及去除情况46 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Process and Fabrication工艺与制造 5.2 改善腔体反应过程的稳定性通过以上的分析，我们知道通过改善过程稳定性可以有效提高工艺窗口。因此，从过程的稳定性着手，提出以下2个改善方案：（1）连续等离子改善：刻蚀需要等离子不断进行晶圆的轰击，才能到达刻蚀的目的，通过变更等离子的连续性，可以减少波动时微小颗粒缺陷掉落在晶圆表面，如图9所示。（2）提升解离等离子的稳定性：通过优化解离等离子体的稳定性使得等离子的浓度变化更加稳定，在工艺过程中可以更好地对微小颗粒缺陷进行去除，如图10所示。5.3 改善ESC静电吸附能力（1）通过调整支撑脚的位置：工艺过程结束后，调整支撑脚的位置以及延长时间，使得静电释放更加充分，微小颗粒更加不容易吸附在晶圆表面。（2）变更ESC 电压控制：通过控制ESC 电压释放能力，从而抵消或者更加完全的释放电荷，防止微小颗粒吸附在晶圆表面。图11所示为提高电荷释放减少微小缺陷吸附。6 效果验证目前上述提到的改善措施全部已经上线，微小颗粒缺陷得到了解决。目前，发生率改善如图12所示。综合以上，改进方案实施后，产品得到了良好的缺陷状况和稳定的工艺表现。7 结语（1）微小颗粒缺陷是刻蚀工艺中必须面临的一个重大挑战，尤其当晶圆直径尺寸进入到300mm时代，在后段制程更为重要，影响叠层累积。（2）产品A上金属掩膜刻蚀(MHM)工艺在量产过程中产生的微小颗粒缺陷问题，严重影响产品良率，这是一个需要急待解决的难题。（3）微小颗粒缺陷均发生在晶圆固定的八个点位结构上。（4）基于微小颗粒缺陷的失效机制，并缺陷的成因进行排查分析，从而寻找解决方案。（5）通过改善前层晶背的损失，调整工艺参数稳定性，同时优化ESC 静电释放能力，有效改善晶固定位置微小颗粒缺陷，最终成功解决该问题。本论文通过SEM、OM等多种分析工具，进行了大量的条件调整实验，找出了微小颗粒缺陷的原因，并通过系统化分析给出了有效的解决方案，从而成功地解决微小颗粒物的缺陷问题，确保机台产能满足公司的量产需求，同时为良率提升做出贡献。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 施敏著,黄振岗,魏策军.半导体器件物M.北京:电子工业出版社,1987.3 Peter Van Zant.芯片制造-半导体工艺制程实用教程M.北京：电子工业出版社,2020.图8 恶化复制出大量晶边微小颗粒缺陷图9 连续等离子改善图10 提升解离能量的稳定性图11 提高电荷释放减少微小缺陷吸附图12 新条件明显改善