RGA殘余氣體分析儀在半導(dǎo)體制程上的應(yīng)用

  使用真空分析偵控儀器逐漸形成一股趨勢(shì)，在制程技術(shù)層次不斷提高，復(fù)雜度不斷增加，單片成本提高的多種因素考量下，要維持低成本，高良率及高機(jī)臺(tái)使用效益，才能更增加本身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。而殘余氣體分析儀，則是一種非常有用的工具之一。未來趨勢(shì)已逐漸走向12吋晶圓，當(dāng)晶圓成本不斷提高而因意外或異常現(xiàn)象造成的生產(chǎn)損失也相對(duì)地隨之提高。因此將RGA作線上同步制程偵控的必須性也被進(jìn)一步地認(rèn)可
l        應(yīng)用背景
  殘余氣體分析儀在傳統(tǒng)上除了應(yīng)用于真空測(cè)漏以外，還可以用于測(cè)量真空室內(nèi)真空度的好壞。舉例說，機(jī)臺(tái)經(jīng)過周期性清洗保養(yǎng)后，利用RGA來取得真空室內(nèi)殘余氣體分布，及建立完整的資料庫(kù)以便于日后比對(duì)。除了可以立即發(fā)現(xiàn)真空異常現(xiàn)象外，更能馬上判斷出問題之征結(jié)。近年來RGA更被使用在制程中作同步偵控，以期提早發(fā)現(xiàn)問題，避免浪費(fèi)生產(chǎn)時(shí)間，并提高機(jī)臺(tái)之使用率。

 制程鍍膜、蝕刻、微影、擴(kuò)散/離子植入四大部份，其中除了微影部份較少用真空外，幾乎每個(gè)步驟都必須在真空室內(nèi)完成。而由于產(chǎn)品尺寸越作越小，對(duì)空氣中微小塵粒所造成的污染容忍度就越來越低。換言之，對(duì)真空制程室內(nèi)的潔凈度要求則越來越高。其中對(duì)真空要求最嚴(yán)格的制程為金屬物理沉積，其真空全壓力必需達(dá)到1x 10-8 Torr左右，才能大幅降低背景水氣及氧氣對(duì)濺鍍金屬層電阻性的影響。對(duì)于沉積晶粒大小(Grain Size)及電移性(Electron Migration)而言，使用超高真空室及超高純度金屬靶材將比僅僅使用高真空室及高純度靶材相對(duì)上改善許多。至于可能造成晶圓污染的原因，不僅是真空室內(nèi)的殘余氣體，尚有以下幾種可能的污染源：定期更換的金屬靶材，制程用的高純度氣體，輸送氣體管線及流量計(jì)，甚至于進(jìn)出真空反應(yīng)室的晶圓本身都是可能的污染源[4]。因此殘余氣體分析儀，近年來已被廣為使用為線上同步偵控的儀器。透過半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化的界面(SECS)與各式機(jī)臺(tái)連線，不但可以同步偵測(cè)可能缺失，更可以主動(dòng)傳送錯(cuò)誤或警告訊息，以防止更大更多因?yàn)殄e(cuò)誤而造成的損失[5]。,

在同為金屬鍍膜但使用化學(xué)沉積方式的制程中，因參與化學(xué)反應(yīng)之反應(yīng)物或生成物通常活性較高，并且反應(yīng)過程遠(yuǎn)比物理沉積復(fù)雜，所以對(duì)整個(gè)反應(yīng)過程之了解并不完全。換言之，在化學(xué)沉積過程中當(dāng)有問題發(fā)生時(shí)，能立即判斷并解決問題之能力比在物理沉積過程中判斷問題發(fā)生的能力差。殘余氣體分析儀則因此廣為使用于發(fā)生問題后，找尋原因之工具。蝕刻制程中，因多數(shù)被使用的氣體皆具高反應(yīng)性，高侵蝕性，致使大家會(huì)擔(dān)心，儀器本身會(huì)因被氣體侵蝕而喪失正確性，甚至有所損壞。事實(shí)上當(dāng)正確選用了鍍保護(hù)膜的真空幫浦及經(jīng)過減壓過程后，所有具侵蝕性氣體對(duì)分析儀的損害，幾乎可以完全忽略。至于在利用電漿作干式蝕刻制程中，殘余氣體分析儀不但可隨時(shí)偵測(cè)各種氣體在電漿室內(nèi)的變化，更可選擇以某種反應(yīng)生成物的強(qiáng)度來作為蝕刻終點(diǎn)的偵控。至于在離子植入過程中異常的氣體分布或殘留氣體對(duì)植入層的均勻性會(huì)造成相當(dāng)?shù)挠绊憽Ｒ虼藢堄鄽怏w分析儀安裝在離子植入機(jī)的高真空室內(nèi)作線上同步偵控也逐漸在國(guó)外盛行起來。

l        應(yīng)用摘要

 一、對(duì)所有真空制程腔而言，定期地清理腔內(nèi)壁或更換零件是個(gè)必須的過程。而每當(dāng)恢復(fù)真空時(shí)難免遇到壓力抽不下去的問題，可能因素除外漏，主要還是內(nèi)部零件的逸氣所造成，當(dāng)然外漏可用氦氣測(cè)漏儀予以偵測(cè)，而對(duì)真空腔內(nèi)部的逸氣源則只能用殘余氣體分析儀加以認(rèn)定。對(duì)分秒必爭(zhēng)的半導(dǎo)體制造工業(yè)界，有效控制機(jī)臺(tái)的downtime乃一重要課題。若利用RGA將每個(gè)真空腔在恢復(fù)真空時(shí)各個(gè)壓力區(qū)間所量測(cè)的殘余氣體分析譜線予以記錄，而在每次預(yù)防保養(yǎng)后將測(cè)得質(zhì)譜與正常狀況下所測(cè)之質(zhì)譜作一比較，往往可以提早確定真空腔之正常與否而不致在等了一段時(shí)間后才發(fā)現(xiàn)問題，也因此能更有效率地減低downtime以提高機(jī)臺(tái)使用率。除此當(dāng)RGA鎖定量測(cè)質(zhì)量為氦氣時(shí)即相當(dāng)于一個(gè)輕便簡(jiǎn)單的測(cè)漏儀。所有外漏或逸氣皆逃不出其法眼。
二、目前業(yè)界使用物理性氣相沉積法(PVD)來沉積的金屬層(Al,Cr或Cu)或阻障層(TiN)對(duì)一般水氣或氧氣污染的要求極高，因微量帶氧污染物即可能形成金屬氧化物而影響金屬層的電阻率，換句話說對(duì)所使用真空腔的真空度更是松懈不得。一般基本真空度起碼得在10-8 Torr左右，但可能對(duì)制程有嚴(yán)重影響的污染物卻有太多機(jī)會(huì)進(jìn)入真空腔造成損失。譬如說不純的氣體來源，更換靶材或Shield之逸氣，外漏的流量計(jì)或接頭，晶圓本身之逸氣...等等。而密閉式離子源的殘余氣體分析儀可以被使用在1-10 mTorr的制程壓力下對(duì)所有污染物作線上同步的偵控，在每片晶圓成本不斷提高的趨勢(shì)下，對(duì)主要制程的同步偵控不但可大幅減少意外損失更能因快速確認(rèn)影響真空之問題所在[7]。最常見的金屬物理氣相沉積-濺鍍，所使用的工作氣體是氬氣，而最常見的污染源則是水氣，水氣在RGA譜上所顯示的位置是m/e=18，但帶兩價(jià)的氬離子顯示的位置則是m/e=20。另外氬氣m=36的同位素若帶兩價(jià)則會(huì)顯示在m/e=18的位置。換言之，若不慎重選擇燈絲釋放電子能量，在質(zhì)譜m/e=18的位置就可能是Ar++(36)或是H2O+(18)而因此對(duì)物理沉積金屬過程中的水氣偵控造成限制。
三、至于對(duì)化學(xué)性氣相沉積法(CVD)的制程來說，雖然對(duì)基本真空度的要求不比PVD，但因使用氣體繁多而氣體純度及穩(wěn)定度都會(huì)影響制程結(jié)果。殘余氣體分析儀往往被業(yè)界使用來深一層了解所使用的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而加以控制制程穩(wěn)定度。尤其是當(dāng)制程出了些問題時(shí)，業(yè)界手邊常無(wú)一樣可供其偵測(cè)分析的儀器。RGA即是最常被使用的分析儀器。舉例來說，在鎢的沉積過程中若有過多含氧污染物(譬如水氣或氧氣)，則與六氟化鎢(WF6)反應(yīng)行成氟氧化鎢(WOFx) ，而這個(gè)反應(yīng)生成物將大大降低鎢本身的電阻率[8]。
四、一般對(duì)蝕刻制程來說，不論是對(duì)多晶矽，金屬層或氧化物所使用之氣體，都多少具腐蝕性及反應(yīng)性，在使用殘余氣體分析儀時(shí)必須尤其注意制程氣體對(duì)儀器本身的破壞性。另外對(duì)容易產(chǎn)生particle的制程而言，往往節(jié)流孔的阻塞會(huì)造成意料之外的不便，也因此盡管理論上質(zhì)譜儀可被用來作蝕刻終點(diǎn)偵測(cè)，但實(shí)際上業(yè)界真正使用RGA在蝕刻制程中作偵測(cè)的仍為少數(shù)。反而在真空度要求較高的離子植入制程中，使用基本型的RGA即可在制程過中，隨時(shí)偵測(cè)系統(tǒng)氣體分布，不但簡(jiǎn)單而且成本較低，在最近頗受業(yè)界歡迎，實(shí)際使用效果反應(yīng)也不錯(cuò)。

l        作用原理(

      RGA屬于四極管作正離子篩選的質(zhì)譜儀。以傳統(tǒng)使用在高真空范圍的RGA來說，它主要包括了三大部份。第一是偵測(cè)頭(Sensor)，第二是電子控制箱(Electronic Box)，第三部份是控制顯示器-電腦。在第一部份的偵測(cè)頭中又包含了三部份:離子源( Ion Source)、四極式離子選擇管( Quadrupole Mass Filter)及離子電流接收器(Ion Current Detector)。其操作原理乃是將連接于偵測(cè)頭的真空室內(nèi)所有中性氣體成份在離子源內(nèi)經(jīng)由從燈絲(Filament)中放射出的電子撞擊而產(chǎn)生的離子導(dǎo)進(jìn)四極管的入口。電子所攜帶的能量對(duì)形成離子的分布有絕對(duì)性的影響，普遍RGA都選擇70 eV是因?yàn)槊绹?guó)國(guó)家中央標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)的質(zhì)譜資料庫(kù)乃以70 eV為主，但70eV的能量對(duì)氬氣而言卻足夠形成帶兩價(jià)的氬離子(Ar++)，這在質(zhì)譜上會(huì)出現(xiàn)在m/e=20的位置，質(zhì)譜本身的復(fù)雜性就因大分子會(huì)裂解而令人望而卻步。若在加上多價(jià)離子更是雪上加霜。因此在特定應(yīng)用制程中，對(duì)特定氣體作偵控時(shí)必須特別注意多價(jià)離子的存在，以免錯(cuò)誤判斷。而四極管本身乃以交錯(cuò)相位的直流及交流電位而產(chǎn)生的共振電場(chǎng)對(duì)具不同質(zhì)電比(m/e ratio)的正離子進(jìn)行篩選。換言之當(dāng)適當(dāng)控制直流與交流電位比例時(shí)，所產(chǎn)生的電場(chǎng)僅與某單一質(zhì)電比離子形成共振現(xiàn)象。而此種離子則以穩(wěn)定螺旋軌跡順利通過篩選以進(jìn)入接收器，其它所有質(zhì)電比的離子則因通過軌跡不穩(wěn)定而導(dǎo)致撞擊器壁中和后被真空幫浦抽走。至于接收器本身也大致分成兩類。第一類是靈敏度低但穩(wěn)定性高的法拉第杯式( Faraday Cup)。第二類則是高靈敏度但穩(wěn)定度較差的電子倍增式(Electron Multiplier)。不論那一類的接收器所偵測(cè)的直接訊號(hào)仍是離子電流。但一般可經(jīng)軟體換算成分壓顯示。第二部份的電子控制箱仍多半采用插卡式組合。其中包括了中央處理器板(CPU Board)，RF產(chǎn)生板(RF Board)，電源供給板(Power Supply Board)及前置放大板(Preamp. Board)。至于第三部份的電腦則多半以RS232或RS485(一臺(tái)電腦可同時(shí)操作8套RGA)的界面連接到電子控制箱。以上簡(jiǎn)單介紹的是最基本的RGA (圖二)，而其適用最大壓力則局限于10-4 Torr左右，這種基本型的RGA往往因制程壓力大于最大操作壓力而無(wú)法使用在制程中作線上同步偵控。另外離子源中用以產(chǎn)生電子的燈絲為了保持正常的使用期限，周遭壓力最好小于10-4 Torr。也因此對(duì)一般鍍膜制程壓力由1 mTorr到100 Torr或更高的情形下，這種基本型的RGA則無(wú)法使用在制程中作線上同步偵控。在將離子源結(jié)構(gòu)作適當(dāng)修改并配合使用一套RGA本身的幫浦系統(tǒng)后既可保持離子源燈絲，四極管及接收器皆處于小于10-4 Torr的壓力，又可以同時(shí)從1-10m Torr制程壓力的真空室中采樣偵控的一種"密封式離子源殘余氣體分析儀"便很快的引起使用者的注意及興趣(圖三)。這種密封式離子源RGA因本身背景壓力可維持在10-9 Torr，對(duì)濺鍍過程中產(chǎn)生的污染-譬如說水氣、氧氣，其偵測(cè)靈敏度可到<500 ppb (以5m Torr的氬氣為標(biāo)準(zhǔn))。至于對(duì)使用高反應(yīng)性及高侵蝕性的制程而言，RGA除了在真空幫浦本身的抗蝕性得特別要求外，也因不同制程壓力(由1 mTorr到100 Torr (甚至更高都有可能)，必須使用不同尺寸的節(jié)流裝置(Orifice) 。為了進(jìn)一步保護(hù)侵蝕性氣體對(duì)離子源或四極管的損害，在RGA與待測(cè)反應(yīng)室間的閥門處可引微量的氬氣或氮?dú)?FONT face="Times New Roman">(與機(jī)臺(tái)上所使用氣體同)作所謂的"氣體保護(hù)"(Gas Shield) [6]。

l       分類介紹 

   工業(yè)用殘余氣體分析儀大致依其不同設(shè)計(jì)，適用壓力范圍，靈敏度及應(yīng)用制程可分成四大類。而前文所介紹的基本型(或開放式離子源型)RGA及先進(jìn)型(或密封式離子源型)之外，在RGA與待測(cè)反應(yīng)室間的閥門處作所謂的"氣體保護(hù)"乃是第三大類(圖四)。至于最后一類乃是第一、第二類的混合版，其不但大小比第一類還小，不需要真空幫浦，適用壓力可達(dá)20m Torr左右。基本原理其實(shí)不外乎利用平均自由徑與壓力間的關(guān)系，以提高RF共振頻率及縮小四極管的尺寸即可符合高壓力下小平均自由徑的要求。甚至于加裝毛細(xì)管及輔助幫浦后，即使是最基本型RGA皆可適用于高達(dá)2 Atm的壓力。總而言之，在選擇適用的RGA之前，下列三點(diǎn)必須充分考慮評(píng)估，才不致選錯(cuò)儀器徒勞無(wú)功。第一是應(yīng)用制程壓力。因基本型RGA使用壓力需小于10-4 Torr，而一般制程除離子植入外壓力都介于10-3 Torr到100 Torr，甚至到大氣壓(APCVD) 。因此使用RGA時(shí)必須配合適當(dāng)大小的節(jié)流孔(Orifice)及高真空幫浦所造成的differential pumping來維持RGA內(nèi)四極管所需的壓力范圍。另一方面使用尺寸太大的節(jié)流孔，可能不能達(dá)到所需的壓力，而使用太小的節(jié)流孔卻可能影響取樣反應(yīng)時(shí)間及靈敏度。第二點(diǎn)是偵測(cè)微量污染物要求的靈敏度，一般來說除在物理氣相沉積的超高真空環(huán)境下，所有污染物(譬如說水氣)與主要制程氣體(譬如說氬氣)的比例需小于10 ppm以下，其他制程對(duì)微量污染物要求較為寬松。不同方式組合成的RGA會(huì)具有從500 ppb到100 ppm的靈敏度，當(dāng)然價(jià)錢上亦大大不同。所以在選購(gòu)RGA之前最好先確定待測(cè)制程中對(duì)微量污染物的要求。最后一個(gè)必須考量的因素是RGA本身的可信度及穩(wěn)定度。不論是將RGA使用在對(duì)真空腔的測(cè)漏或?qū)χ瞥套?FONT face="Times New Roman">24小時(shí)的線上同步偵控，所量測(cè)到的質(zhì)譜必需正確反映出真空室內(nèi)不同殘余氣體之差異變化。除此而外日復(fù)一日的線上監(jiān)控儀器更需具備高度的穩(wěn)定性，否則使用一個(gè)本身都不穩(wěn)定的儀器來期望監(jiān)控制程之穩(wěn)定性豈不如緣木求魚。另外對(duì)偵控生產(chǎn)的儀器而言，意外保護(hù)系統(tǒng)(Interlock system)非常重要。因?yàn)椴徽撌菣C(jī)臺(tái)或是儀器本身有問題時(shí)(譬如壓力過高或溫度過高等等)，為了保護(hù)產(chǎn)品再度受影響，在機(jī)臺(tái)及分析儀器間的閥門必須立即關(guān)閉，其他相關(guān)安全動(dòng)作也必須一一自動(dòng)完成，才不致因使用同步偵控儀器反而造成使用者更大困擾。

l    在半導(dǎo)體工藝中應(yīng)用RGA的結(jié)果
?改善質(zhì)量&   ?提高流片量      ?減少停機(jī)時(shí)間:`.Z,?改進(jìn)工藝     ?縮小工藝周期      ?降低成本