1. 引言
接触窗(Contact window)是前后端工艺的连接通道(图1)，受填孔能力的限制，接触窗中的TiN从0.18 μm开始采用金属有机物化学气相沉积MOCVD (Metal-Organic Chemical vapor Deposition)工艺 [1] [2]。MOCVD工艺由TDMAT (四次二甲基铵基钛)在一定的温度和压力下分解后先沉积TiN薄膜，再利用Plasma treatment，减低薄膜中的碳，氢杂质，最后得到低阻、致密的TiN薄膜。沉积和Plasma treatment是套循环步骤。为了将杂质去除的更加彻底，芯片制造中一般进行多次循环，每个循环沉积的薄膜厚度尽可能薄一些。
RC Delay会严重影响芯片的性能，为了控制RC值，MOCVD工艺对成膜均一性和厚度有严格的要求。MOCVD工艺对温度极其敏感，尤其是腔体Kits PM后，因为腔体Condition变化大，需要通过多次工艺参数调机，才能满足工艺的膜厚和均一性要求，严重影响了机台的Uptime。本文从MOCVD腔体气流方向和Kits PM过程中更换的部件出发，分析影响MOCVD工艺成膜厚度和均一性的可能因素，通过在PM过程中提前干预，降低Kits PM后的调机率，提高机台Uptime。未做任何干预的PM后的RS map (图2)，靠近Pump port的上半圈RS值明显偏高，导致成膜均一性不符合工艺规格要求，需要通过调机来满足工艺要求。
2. 原因分析
MOCVD工艺时：Wafer坐落在腔体中心位置的Heater上，TDMAT经过LFM流量控制和Injector气化后，由Carrier gas带入工艺腔体顶部，再通过顶部Shower head均匀分散地流到工艺腔体里的Wafer上参与反应 [3]。因TiN成膜的速度和温度成正相关，为了保证成膜的均一性，Wafer的背面在沉积薄膜的步骤会通入Backside gas，使Wafer受热更加均匀，wafer的四周边缘底部会有Purge gas，防止Wafer bevel发生薄膜沉积。所有多余的反应气体途径左侧Pumping port，经过Rough Valve由Pump抽走(图3)。
Figure 3. MOCVD chamber structure diagram
图3. MOCVD腔体结构示意图
Heater的四周由Outer Shield，inner shield，Chamber Insert环绕，防止Chamber body发生薄膜沉积。Kits PM时，每次都需要更换用于分散气流的Shower head和用于保护Chamber body的Outer shield，inner shield及Chamber insert。
由MOCVD工艺的气流方向及Kits PM更换的部件可以推测 [4] [5]：
1) 靠近Pumping port 抽力大，气流运动快导致该区域Wafer温度偏低，造成上半圈成膜偏薄；
2) 用于保护Chamber body的Kits，其表面的Condition会影响腔体内部的热环境，对成膜的厚度影响较大；
3) 用于分散工艺反应气体的Shower head的孔径大小可以直接影响每个区域参与反应的气体量，对成膜均一性有密切的相关性。
3. 验证实验
3.1. 实验方案
针对上述的三个推测，设计3个对应的实验改善方案：
方案1：将腔体的handoff中心值−80 Step，提升靠近Pumping port区域Wafer的实际温度。Wafer坐落在Heater上作业时，为了防止wafer bevel沉积薄膜，会在wafer Edge位置流Purge gas。Wafer上接触到Edge Purge gas的区域Wafer温度相对较低。实验中通过将Robot的handoff Extension方向减少80 step，将Wafer整体远离Pumping port 0.5 mm左右，使原本靠近Pumping Port端的Wafer被Edge purge gas影响到的区域变小，提升wafer的温度。
方案2：根据每套Kits在每个腔体最近一次测机合格的C0为标准值，在PM过程中进行预调。C0是Heater温度的Offset补偿值，每套Recycle Kits的Condition都会有一定的差异，安装到腔体后，Kits的吸热量会有一定的差异，最终造成Wafer上的温度出现一定的偏差。通过调整C0来调节MOCVD工艺腔体内Heater的实际温度，从而调整Wafer的工艺温度。
方案3：对Shower head孔洞直径进行管控，确保工艺时工艺气体均匀分散到Wafer表面。成膜均一性由Monitor Wafer量测49个点RS值计算得到，量测点坐标以环型分部(图4)。实验中通过将Shower head上被采样用于量测的孔洞位置也设置为环形分部，管控Shower head上5圈管控孔洞直径均值的差值最大值 < 30 μm，以保证工艺气体尽可能的分布均匀。
Figure 4. Section diagram of RS measurement points
图4. RS量测点分部图
3.2. 实验设备
3个验证实验全部在上海华力微电子有限公司FAB内的AMILBA01和AMILBA02两台量产机台上的4个TxZ腔体上进行开展(图5)。
Figure 5. Appearance picture of TxZ chamber
图5. TxZ腔体外观图
3.3. 实验结果与分析
实验1：依据4个腔体的中心值Handoff，Extension 方向分别减少80 Step作为实验设定值(表1)，观察200个PM，统计整体的调机率。
Table 1. Chamber handoff value setting
表1. 腔体handoff值设定
实现结果显示，200个PM中需要通过调机的个数由原先的128个降低到99个。通过Wafer handoff的预调，Kits PM后的调机率由handoff预调前的64%降低到49.5% (图6)。
实验2：记录每套Kits在4个腔体测机合格的C0值(记录表格式见表2)，在下次该Kits安装到对应腔体时，依据上一次记录的值作为标准值，在PM过程中进行预调，依据此方式观察200个PM，统计整体的调机率。
实验结果显示，200个PM中需要通过调机的个数由原先的99个进一步降低到81个。通过预调C0，Kits PM后的调机率由49.5%进一步降低到40.5% (图7)。
Figure 6. The adjustment rate after presetting of Handoff
图6. 预调Handoff后的调机率
Figure 7. The adjustment rate after presetting of C0
图7. 预调C0后的调机率
实验3：管控Shower head上5圈管控孔洞直径均值的差值最大值 < 30 μm (管控表格式见表3)，依据此方式观察200个PM，统计整体的调机率。
实验结果显示，200个PM中需要通过调机的个数由原先的81个进一步降低到64个。通过对Shower head孔洞直径的管控，Kits PM后调机率由40.5%进一步降低32% (图8)。
Figure 8. The adjustment rate after the control of the aperture size of Shower Head
图8. 管控Shower Head孔径尺寸后的调机率
4. 结论
综上所述，MOCVD的成膜厚度和成膜均一性因受温度和工艺气体分布影响较大，导致PM后调机率很高，对机台的Uptime影响较大。通过对handoff的管控，实现Wafer温度偏低区域的温度提升；通过By Kits和By腔体的C0管控，实现Wafer实际成膜温度的有效控制；通过管控Shower head每圈孔径直径均值的最大差值 < 30 μm，实现对工艺气体分布的有效管控；以上三种方法同时使用，MOCVD工艺腔体PM后的调机率由64%降低到了32%，有效地提高了设备Uptime。
致谢
MOCVD工艺腔体是接触窗成膜工艺设备的瓶颈腔体，通过降低MOCVD工艺腔体PM后的调机率，可有效提升设备的Uptime。感谢设备工程师张啸，黄磊在问题讨论和实验设计阶段的合理建议，感谢工艺工程师蔡俊晟帮忙提供RS Monitor Wafer量测坐标数据，感谢制造部同事帮忙安排机台时间用于开展实验数据的收集。
参考文献