LPCVD氮化硅設(shè)備對顆粒污染的影響研究

吳清洋

摘 要：顆粒污染在集成電路制造工藝中會引起嚴(yán)重的缺陷，會對后續(xù)光刻對位造成影響，甚至?xí)?dǎo)致電路性能下降、使用壽命縮短。尤其是在深亞微米集成電路制造工藝中，顆粒污染對產(chǎn)品良率的影響就更為嚴(yán)重了。在爐管低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）工藝中，Si3N4工藝的顆粒污染問題最難控制。為了降低氮化硅薄膜制程中的顆粒污染，主要從LPCVD氮化硅薄膜生產(chǎn)設(shè)備出發(fā)，深入研究和探討各環(huán)節(jié)可能存在的微粒污染問題，為低顆粒污染生產(chǎn)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：LPCVD;氮化硅;顆粒污染

在集成電路的生產(chǎn)制造過程中，總會不可避免地產(chǎn)生顆粒、金屬離子、有機(jī)殘余物、自然氧化層、靜電釋放（Electro Static Discharge，ESD）、微生物、氣體雜質(zhì)等污染物，這些污染物會在芯片生產(chǎn)過程中形成缺陷[1-2]。一般情況下，當(dāng)混入的污染物數(shù)量較少時，不會對電路產(chǎn)生較大影響。但隨著污染物數(shù)量的增多，電路會出現(xiàn)不同程度的斷路、短路、漏電、電性漂移等情況，甚至?xí)?dǎo)致整個芯片報廢，給生產(chǎn)公司造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對產(chǎn)品失效原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)污染物引起的失效占總失效因素的60%，因此，在集成電路工藝生產(chǎn)過程中需特別注意各環(huán)節(jié)可能引入的污染物。在各種污染物中，顆粒污染是集成電路制造過程中最常見、也是對產(chǎn)品良率影響最大的一種。例如一小根毛發(fā)落在導(dǎo)線上，就會導(dǎo)致導(dǎo)線短路，甚至使整個器件失效[3-4]。

低壓化學(xué)氣相淀積（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD）氮化硅薄膜是利用爐管工藝設(shè)備制成的，因此，設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)對Si3N4生產(chǎn)過程中的顆粒污染控制起主要作用。隨著晶圓尺寸不斷增大，早期的水平式爐管已無法滿足薄膜淀積均勻度的要求，現(xiàn)在市面上的LPCVD氮化硅生產(chǎn)的主力設(shè)備是垂直式爐管。本研究以TEL公司的Alpha-8SE系列爐管機(jī)臺為研究對象，分析其基本構(gòu)造、性能和技術(shù)參數(shù)對顆粒污染的影響。

垂直式爐管是把工藝管豎立起來進(jìn)行加工生產(chǎn)的，利用這種爐管工藝淀積的薄膜具有良好的均勻性。垂直式爐管的基本結(jié)構(gòu)主要由腔體、晶圓傳輸系統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)6個部分組成。在整個系統(tǒng)中，晶圓接觸較多的部分就是工藝腔體、壓力控制真空管、氣體控制傳輸管以及晶圓傳輸系統(tǒng)。因此，本研究將對工藝腔體、氣體控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析其對Si3N4生產(chǎn)過程中顆粒污染的影響。

1 ? ?工藝腔體對顆粒污染的影響

工藝腔體是垂直爐管最核心的部分，是沉積Si3N4的場所，也是造成顆粒污染的主要區(qū)域。工藝腔體主要包括內(nèi)管、外管、加熱器、隔熱底座、晶舟和基座6個部分，如圖1所示，氣體從下端一側(cè)流入、另一側(cè)流出。通常垂直爐管的工藝腔管有兩種結(jié)構(gòu)：單層雙管型和雙層單管型。單層雙管型一般應(yīng)用于LPCVD工藝中，而雙層單管型應(yīng)用于APCVD工藝中。就材質(zhì)而言，IC常用的工藝腔體一般由碳化硅或是石英制成。采用兩種材質(zhì)的工藝腔體進(jìn)行Si3N4薄膜制備，發(fā)現(xiàn)兩種材質(zhì)各有優(yōu)點。

圖1 ?工藝腔體的結(jié)構(gòu)

（1）采用石英材質(zhì)工藝腔體和碳化硅材質(zhì)工藝腔體沉積氮化硅，氮化硅薄膜的厚度從0 μm累積到8 μm，兩種工藝腔體底部顆粒污染物增加的情況都是最為嚴(yán)重的。同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Si3N4薄膜厚度小于4 μm時，碳化硅材質(zhì)工藝腔體的顆粒污染狀況要比石英材質(zhì)工藝腔體好，但當(dāng)腔體上的Si3N4薄膜厚度大于4 μm時，碳化硅材質(zhì)工藝腔體的顆粒污染狀況比較糟糕，污染物數(shù)量遠(yuǎn)超石英材質(zhì)工藝腔體。

（2）由于Si3N4能與氫氟酸發(fā)生反應(yīng)、不能與碳化硅發(fā)生反應(yīng)，使用氫氟酸清洗碳化硅管時，爐管基本沒有變化，使用壽命較長。采用石英材質(zhì)制成工藝腔體時，由于石英主要由二氧化硅構(gòu)成，二氧化硅能與氫氟酸發(fā)生反應(yīng)。在清除表面Si3N4層時，二氧化硅參與反應(yīng)，將有一部分石英被消耗掉。因此每次清洗后，石英腔管都會變薄一些，使用幾次后就不能用了。為了延長石英腔管的使用壽命，可以采用水平槽式洗管機(jī)清洗管腔表面Si3N4層，同時，為了避免0.16 μm以上的顆粒數(shù)目增多影響晶圓質(zhì)量，可以監(jiān)測膜厚，達(dá)到臨界厚度時停止生產(chǎn)，采用擋板試生產(chǎn)1～2次，待微粒減少后，再進(jìn)行正常的生產(chǎn)。

綜合分析，在氮化硅的制備工藝中，采用石英材質(zhì)的工藝腔體，優(yōu)勢遠(yuǎn)超碳化硅材質(zhì)的工藝腔體。

2 ? ?氣體控制系統(tǒng)對顆粒污染的影響

氣體控制系統(tǒng)的任務(wù)是將工藝要求的氣流輸送到工藝腔體。不同的工藝，參與氣體也不同。機(jī)臺會按照程序預(yù)先設(shè)定的要求，將對應(yīng)的氣體及其流量輸送到反應(yīng)腔體，進(jìn)行預(yù)定的工藝。在所有的氣體管路中，SiH2Cl2這條管路的顆粒污染是最嚴(yán)重的，主要是由于SiH2Cl2氣體受外界溫度的影響較大。一旦外界溫度不穩(wěn)定，SiH2Cl2在傳輸管路里就會發(fā)生分解反應(yīng)，生成HCl、Cl、H和不定型硅等物質(zhì)。這些物質(zhì)的小顆粒會隨著分解反應(yīng)的發(fā)生，不斷地附著在傳輸管壁上，并隨著流通的氣體一起進(jìn)入工藝腔內(nèi)，落在晶圓的表面，形成顆粒污染。為了避免顆粒污染的引入，實際生產(chǎn)中一般會在SiH2Cl2的傳輸管路上使用加熱裝置，將SiH2Cl2的溫度控制在40 ℃左右。

3 ? ?壓力控制系統(tǒng)對顆粒污染的影響

壓力控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工藝腔體內(nèi)的壓力，由壓力計、主閥、次閥和機(jī)械泵組成。壓力的控制方式一般分為兩種。

（1）角度控制法。這種方法采用閉環(huán)回路控制方式，主要通過調(diào)節(jié)控壓閥門的開關(guān)角度來實現(xiàn)工藝腔體內(nèi)壓力的控制。這種控制方法常用于較高目標(biāo)的壓力控制。

（2）氣體流量控制法。這種方法也是采用閉環(huán)回路的控制方法，工藝腔體的壓力控制主要是通過控制閥門來控制真空管路通入的氣體流量大小，氣體流量的大小決定真空泵的抽氣速率，實現(xiàn)工藝腔的壓力控制。這種控制方法常用于較低目標(biāo)的壓力控制。

兩種方法除了目標(biāo)壓力控制不同，還有一個重要區(qū)別是角度。角度控制法閥門只需開一個很小的角度，而氣體流量控制法需將閥門全部打開，這樣就會使得原來附著在真空管路腔壁上的微小顆粒隨著氣流進(jìn)入工藝腔內(nèi)，形成顆粒污染。因此，采用角度控制法控壓方式在顆粒污染控制方面略優(yōu)于氣體流量控制法控壓方式。

需要特別注意的是，壓力控制系統(tǒng)也是一個尾氣處理系統(tǒng)。在Si3N4的制備過程中會產(chǎn)生鹽酸，反應(yīng)式如下：

3SiH2Cl2（氣）+4NH3（氣）=Si3N4（固）+6HCl（氣）+ 6H2（氣）（1）

生產(chǎn)時，當(dāng)NH3通氣量較大時，HCl與NH3繼續(xù)反應(yīng)：

HCl+NH3=NH4Cl（2）

為了避免產(chǎn)物NH4Cl在管路中凝結(jié)，一般需要將管路溫度控制在150 ℃以上，保證NH4Cl以氣體形式進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)。但高溫會使管路接口處的橡膠密封圈損壞，這樣橡膠密封圈不但不能起到密封的作用，反而會引起氣體泄漏，同時也會成為顆粒污染的來源。因此，管路的溫度并不是越高越好。

4 ? ?溫度控制系統(tǒng)對顆粒污染的影響

溫度是LPCVD氮化硅薄膜制程中的主要參數(shù)之一。如果溫度參數(shù)設(shè)置出現(xiàn)問題，不但會阻礙化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行，還會增加顆粒污染，導(dǎo)致氮化硅薄膜的厚度和質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。工藝腔體的溫度控制從生產(chǎn)開始一直持續(xù)到生產(chǎn)結(jié)束，整個過程的溫度變化要經(jīng)歷淀積前的升溫過程、淀積中的穩(wěn)定過程和淀積后的降溫過程3個階段。因此，升降溫過程中溫度變化的快慢和溫度大小的設(shè)定是研究溫度控制系統(tǒng)對顆粒污染影響的關(guān)鍵。

4.1 ?溫度變化速率

由于LPCVD腔管的材質(zhì)一般都是石英的，其熱膨脹系數(shù)不同于淀積的氮化硅層，腔管的急劇升溫和降溫將引起氮化硅的剝落，成為顆粒污染源。通過分析氮化硅薄膜制程中工藝腔體的溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)在整個生產(chǎn)制程中，溫度的劇烈變化發(fā)生在兩個階段，分別是淀積前的升溫階段和淀積后的降溫階段。為了研究溫度變化速率對顆粒污染的影響程度，在同一設(shè)備上完成不同升溫速率和降溫速率的對比實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)升降溫速率加快時，顆粒污染急劇增加。特別是當(dāng)溫度變化大于30 ℃/min時，顆粒污染數(shù)量翻倍增長。

4.2 ?溫度的設(shè)定

在整個生產(chǎn)過程中，溫度的設(shè)定主要分為3個區(qū)間： （1）晶舟的裝載溫度;（2）薄膜的生長溫度;（3）晶舟的卸載溫度。本研究對晶舟裝載和卸載的溫度設(shè)定進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)晶舟裝載和卸載溫度的設(shè)定對顆粒污染影響很大。當(dāng)裝載和卸載溫度控制在450～650 ℃時，顆粒污染最少，高于650 ℃或低于450 ℃的裝載和卸載溫度都會增加顆粒污染。

5 ? ?結(jié)語

通過對LPCVD氮化硅垂直式爐管設(shè)備的研究與分析，探討了氮化硅薄膜淀積過程中設(shè)備對顆粒污染的影響，對于日常維護(hù)、降低顆粒污染、提高產(chǎn)品良率起到積極作用。

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