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Jae Yong Park, Han-Mil Kim, Jong Kook Song, Won-Ho Cho, C & C 4, Memory Division, Samsung Electronics Co. Ltd., Hwaung City, Gyeonggi-Do, Korea
Eun-Su Rho, SEZ Korea Ltd., Seungnam City, Gyeonggi-Do, Korea
Leo Archer, SEZ Austria(USA), Phoenix, AZ, United States
在半導體製造流程中，晶圓洗淨成為愈來愈重要的製程模組。隨著業界對整合精準度的要求持續攀升，業界也同樣需要更潔淨且更均勻的元件結構。清洗的效果最終會影響元件的效能與良率。不論是在前段或後段(BEOL)製程中，洗淨程序的所有層面，其要求都愈來愈嚴苛。業界關注的一項領域，就是蝕刻後與金屬化步驟之間，針對側壁與金屬接觸窗底部去除灰化殘餘物。接觸窗洗淨不徹底，會導致代價昂貴的元件故障，因此成為業者注重的一項環結。
在快閃記憶體元件中，金屬接觸窗是一種電極，用來連結位元線與元件的反應區域。這些連結是在光阻薄膜與層間介質(ILD)進行一連串乾式反應性離子蝕刻(RIE)，產生一個接觸窗，然後再填入金屬材料。在進行層間介質製程步驟後，殘留的光阻運用電漿灰化來清除。過程中必須運用溼式處理來去除殘留的聚合物，因為這些物質會成為後續乾式清除步驟的瑕疵物。
半導體元件尺吋持續縮小，接觸窗口愈來愈窄且愈深，業者必須去除接觸窗底部與晶圓表面上的殘留物、氧化物以及雜質粒子。否則，上層金屬電極的空隙填充物就會不穩定，造成效能與良率的下滑。
流動的瑕疵
在包括蝕刻後接觸窗口清洗在內的後段製程洗淨步驟中，溼式清洗設備一直是主要工具之一。在尺吋大於180奈米的元件方面，傳送的濕式工作臺(批次)清洗技術一直能有效去除殘留的聚合物與原生氧化物。但隨著更小尺吋元件不斷縮小，將整批晶圓浸入液體所產生的相互污染，這類問題也變得愈來愈嚴重。各種來源與位置的瑕疵，可能藉由液體傳至晶圓的關鍵區域。其中包括晶圓背面或晶圓前面的邊緣，瑕疵也可能來自整批晶圓中旁邊的另一片晶圓。在濕式工作臺處理過程中雜質粒子轉移的現象，有包括金屬化在內的清洗步驟之後，都可以發現得到。
圖一顯示接觸窗口生成與金屬化的整合製程步驟。金屬接觸窗是運用RIE製程在沉積ILD上生成，ILD通常是氧化物。在各種洗淨步驟去除光阻與蝕刻聚合物之後，一層鈦/氮化鈦(Ti/TiN)沉積後形成的阻障層薄膜，能防止金屬接觸窗擴散至ILD。最後，接觸窗再用鎢材料填滿，並運用化學機械研磨(CMP)進行平坦化處理。未完成洗淨的接觸窗，可能因間隙填充、線性薄化或脫層導致元件故障。
清洗蝕刻後接觸窗，一般採用兩種方法。業者通常將整批大量的浸入裝滿適當溶劑的濕式工作臺。流掉化學溶劑後，再用去離子水(DI)清洗晶圓，完成後再進行乾燥。另一種清洗方法則是把晶圓置入(非浸入式)單晶圓工具。過程中使用多層處理反應室。化學溶劑塗佈至晶圓表面，或同時塗佈至同一層的晶圓表面。完成後晶圓再移至另一個處理層，在這裡用去離子水洗淨然後乾燥。這種方法能隔離晶圓正面與背面，排除了晶圓兩面間產生相互污染的問題。在濕式工作臺後，在清洗過程中流動液體產生特徵瑕疵的流動圖案，在瑕疵分析過程中可明顯看見。但是這種瑕疵在單晶圓清洗過程中完全不會出現。
為測試瑕疵流動與溶劑的流動之間呈函數關係，我們比較兩種濕式工作臺清洗方法的瑕疵分析結果，在一個單晶圓工具中進行類似的接觸窗蝕刻清洗過程，在這裡我們使用SEZ單片晶圓處理系統。圖二顯示對應的瑕疵圖。左邊的影像顯示濕式工作臺的結果，其中所有製程步驟的化學蝕刻使用氫氟酸(HF)；使用去離子水進行沖洗；並在相同的處理槽中進行乾燥處理(稱為最終沖洗－乾燥FRD)。圖片中可清楚看到垂直方向的瑕疵圖案。可看出和去離子水的水流有關連，因為圖案延續至上方，並流出處理槽的側面，這可作為擴大觀察範圍的方法。
另一方面，若晶圓在一個處理槽中進行兩次獨立的baths-HF暴露式處理，然後在另一個處理槽中進行去離子水的沖洗/乾燥，則會觀察到另一種特徵瑕疵圖案，如中間的圖所示(圖二b)。這種圖案的成因和晶圓邊緣至中央的瑕疵流動有關聯，因為晶圓是從製程步驟中的整批晶圓中抽出。在這個案例中，瑕疵大多出現在晶圓的邊緣。此外，使用濕式工作臺的沖洗方法，無法輕易去掉雜質粒子。
當單晶圓製程用來處理相同的蝕刻後清除殘餘物時，沒有特徵瑕疵圖案。瑕疵呈現隨機性的分佈(圖二c)，整體的瑕疵密度明顯少於批次製程。
雖然瑕疵散佈的實際機制並不完全清楚，但從電子顯微鏡(SEM)與能量散佈光譜儀(EDS)可看出明顯的關係：瑕疵的來源就是晶圓邊緣(圖三)。瑕疵出現在晶圓的作用區，通常覆蓋接觸孔，因此干擾到這些元件的填充效果。透過EDS分析這些瑕疵，顯示成份運用矽、鎢、以及氧；這些在所有瑕疵案例中都是常見的元素。
在找到這項特徵後，再對典型晶圓進行完整的檢驗，然後再清除蝕刻後的殘留物。圖四顯示用顯微鏡擷取的邊緣與邊緣排除區域影像，這區域的瑕疵與脫層以及薄膜堆疊外表的剝落有關連。EDS分析確認有矽、鎢、氧、氮、鈦元素。這些元素的來源是整合過程中使用的薄膜堆疊。鎢和鈦來自先前金屬化程序。由於辨識出的這些元素，支持業者的假設，證明流動瑕疵源自於晶圓邊緣附近，並透過上述機制散佈至晶圓元件區域。不論散佈途徑為何，相較於單晶圓處理法，濕式工作臺提供更多的瑕疵來源與散佈機會。
流動瑕疵衍生出三個可能導致元件故障與良率下滑的問題：線性研磨薄化、線性脫層以及未完成的間隙填充。為解決使用濕式工作臺衍生的這些問題，業者必須使用較長的處理時間，來降低流量以及過度蝕刻衍生的高風險問題。因此，我們運用單晶圓清洗方法來排除這些風險因素。
為改進整體清洗步驟的瑕疵比率與均勻度，須進行一連串測試，運用各種實驗設計法(DOE)來優化各項參數。種種跡象顯示瑕疵數量與製劑流動的壓力之間有密切的關連，與排出壓力之間也有類似的關係。影響均勻度程度最大的單一因素是HF的濃度。再加上對各項運作參數敏感度的瞭解，就能設計出最佳的配方。
單晶圓方案的效能
由於單片晶圓處理系統是從晶圓中央向邊緣清洗，因此瑕疵散佈的途徑原本就比較少。如圖二所示，單晶圓處理方法能將瑕疵總數減少24倍。
為監控單晶圓製程的效能與穩定度，我們對生產環境收集長達12個月的電子與瑕疵資料。運用穿透式電子顯微鏡(TEM)量測的線寬(CD)變化，作為批次與單晶圓方法的結構變化標準(圖五)。兩種方法的測得的線寬沒有明顯的差異。在作用區域與閘極結構上的金屬接觸窗，批次與單晶圓方法測得的電阻值差距都不大。但在兩種情況中，單晶圓處理模式的變化幅度較小。
兩種處理方法在測試期間測量到的數據，顯示瑕疵總數都明顯減少，進而導致良率提高。圖六顯示瑕疵減少，以及未處理晶粒(元件)良率的大幅提升。運用單晶圓清洗工具來清除蝕刻後的殘留物，其良率明顯優於使用濕式工作臺來清洗晶圓。
結論
我們發展一種12吋單晶圓金屬接觸窗蝕刻後清洗技術，排除濕式工作臺清洗工具衍生的瑕疵散佈問題。流動瑕疵問題，在濕式工作臺中，明顯觀察出是從晶圓邊緣擴散至晶圓中央。整個效應就是破壞位元線路，途徑包括線路薄化、線路脫層以及間隙填充不良。
單片晶圓處理系統能消除流動瑕疵圖案，並解決這些破壞問題。此外，它能大幅降低觀察到的瑕疵數量，進而提高晶粒良率而不必犧牲元件的效能。SST-AP/Taiwan
致謝
作者要感謝在撰寫本文收集資料時，Tae Gyun Kim、Hee Kang Cho與Bong Ho Moon等人提供寶貴的協助
作者
Jae Yong Park擁有南韓仁川仁荷大學材料工程學士學位。他是三星電子公司清洗與化學機械研磨技術事業群的工程師。在2003年，他加入三星電子公司半導體事業部記憶體部門。聯絡地址：C&C 4, Hwaung City, Gyeonggi-Do, 449-711, Korea；電話82/31-208-2273；電子郵件信箱：jy0411.park@samsung.com。
Han-Mil Kim擁有南韓大學化學學士學位。他是三星電子清洗與化學機械研磨技術事業群的資深工程師。他在1996年加入三星電子半導體事業部。
Jong Kook Song擁有南韓首爾漢陽大學無機材料工程學士學位與材料工程碩士學位。他是三星電子清洗與化學機械研磨技術事業群的首席工程師。他在1991年加入三星電子的半導體事業部。
Won-Ho Cho擁有南韓首爾漢陽大學化學工程學士學位。他是三星電子清洗與化學機械研磨事業群的工程師。他在2003年加入三星電子的半導體事業部。
Eun-Su Rho擁有南韓馬山市昌信學院電子通訊學位。他在SEZ Korea公司製程應用部門任職達12年。
Leo Archer擁有美國新墨西哥州阿布奎基市新墨西哥州立大學化學學士學位與無機化學博士學位。他是SEZ公司全球新興技術部門副總裁。Archer 在1999年加入SEZ America 公司，擔任首席製程工程師。
圖一：快閃記憶體製造過程中，接觸窗口生成，以及金屬沉積的步驟。
圖二：在(a)最終清洗乾燥(FRD)與(b)DIP型濕式工作臺處理後的晶圓瑕疵圖，和(c)單晶圓工具處理的晶圓進行對比。 |
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