利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法解決AlCu薄膜濺射過(guò)程中的缺陷論文
摘 要：物理汽相沉積（Physical Vapor Deposition）工藝在集成電路制造工藝流程中的作用是形成金屬層，作為導(dǎo)電介質(zhì)。它通過(guò)磁控濺射的方法在晶圓表面形成一層平整的金屬層。而MIM層作為元器件的電容結(jié)構(gòu)，它的金屬膜厚度最薄，在整個(gè)金屬導(dǎo)線層中對(duì)金屬缺陷的要求最高。任何微小的缺陷都會(huì)導(dǎo)致電容的擊穿電壓發(fā)生異常或存儲(chǔ)能力受到不良影響。在所有的缺陷類型中存在一種裂紋缺陷，該缺陷發(fā)生機(jī)率高達(dá)2%。文章通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，找到影響缺陷的主要因素并通過(guò)優(yōu)化金屬膜的濺射條件，最終解決裂紋缺陷。
關(guān)鍵詞：MIM結(jié)構(gòu)；裂紋；缺陷；DOE；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；主成分分析
中圖分類號(hào)：TN4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）30-0101-03
引言
隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，各種各樣的高新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，集成電路作為上世紀(jì)60年代的新技術(shù)而誕生，并至今造福人類，而且得到了很好地發(fā)展。在當(dāng)今的信息時(shí)代，信息技術(shù)已經(jīng)滲透到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，人們?cè)谌粘Ｉ钪袩o(wú)處不感受到信息技術(shù)所帶來(lái)的方便與快捷。信息技術(shù)的基礎(chǔ)是微電子技術(shù)，而集成電路（IC）正是微電子技術(shù)的核心，是整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)和信息社會(huì)的根本基礎(chǔ)。集成電路在現(xiàn)代生活中擁有不可或缺的地位，它已經(jīng)與我們的.日常生活緊緊相連，并越來(lái)越多的深入人們的日常生活，大到航空醫(yī)療，小到汽車(chē)手機(jī)，隨著集成電路的特征尺寸越來(lái)越小，對(duì)晶圓（wafer）的缺陷要求也越來(lái)越嚴(yán)格。
物理汽相沉積（Physical Vapor Deposition）工藝在集成電路制造工藝流程中的作用是形成金屬層，作為導(dǎo)電介質(zhì)。它通過(guò)磁控濺射的方法在晶圓表面形成一層平整的金屬層。而MIM層作為元器件的電容結(jié)構(gòu)，它的金屬膜厚度最薄，在整個(gè)金屬導(dǎo)線層中對(duì)金屬缺陷的要求最高，如圖1。任何微小的缺陷都會(huì)導(dǎo)致電容的擊穿電壓發(fā)生異常或存儲(chǔ)能力受到不良影響。
1 存在的問(wèn)題
在所有的缺陷類型中存在一種裂紋缺陷（crack defect），該缺陷發(fā)生機(jī)率高達(dá)2%，如圖2。
統(tǒng)計(jì)學(xué)方法實(shí)驗(yàn)過(guò)程：
（1）相關(guān)性分析
通過(guò)之前的數(shù)據(jù)顯示，由于發(fā)生裂紋的晶圓，其晶圓可接受性測(cè)試（WAT）擊穿電壓（BV）會(huì)發(fā)生異常，為了更好的解決問(wèn)題，我們首先對(duì)缺陷數(shù)量（crack count）和電性參數(shù)擊穿電壓（BV）做相關(guān)性分析，分析工具為Excel 2010。
發(fā)生裂紋缺陷的wafer必然會(huì)造成電容擊穿電壓BV閾值變小，如圖3。
圖4和表1告訴我們：根據(jù)之前發(fā)生過(guò)的缺陷情況，其缺陷數(shù)量和擊穿電壓（BV WAT），二者存在強(qiáng)相關(guān)性，而當(dāng)缺陷減少到一定程度后，BV恢復(fù)為正常水平，同時(shí)相關(guān)性變?nèi)酢?/p>
（2）主成分分析法（PCA）
使用主成分分析法（PCA）把所有process過(guò)程中出現(xiàn)的參數(shù)進(jìn)行分類處理，工具為SPSS 2.0。
從旋轉(zhuǎn)成分矩陣圖（圖5）（<0.75的情況被隱藏）中，可以把前5個(gè)主成分結(jié)合工程上的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分類。
分別將成分得分FAC1_1～FAC5_1逐列從大到小排序，發(fā)現(xiàn)在FAC3_1這個(gè)成分上的投影與BV WAT的情形具有相關(guān)性，如圖6。
（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）
選擇FAC3這個(gè)主成分中的三個(gè)參數(shù)作為響應(yīng)，設(shè)定合理的target和spec，應(yīng)用DOE優(yōu)化該三個(gè)響應(yīng)值，如表2。
在recipe body和chamber configure中，可調(diào)參數(shù)多達(dá)幾十個(gè)。而通過(guò)上述分析，最終確定的三個(gè)response，影響response的recipe參數(shù)范圍被縮小為以下7個(gè)（表3）。
在經(jīng)過(guò)篩選實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)充試驗(yàn)后，使用二階模型進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。
二階模型公式：
最大化意愿后得到圖7，Ar流量=34.7，N2流量=102.5， 輸入功率=3541，背壓流量=10.2的條件下，3種響應(yīng)的綜合情況最好。最大化意愿值=1>0.75，說(shuō)明能夠完全滿足三個(gè)響應(yīng)的meet target要求，即優(yōu)化后的target值和理論的target值相似度為100%。
（4）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)DOE的優(yōu)化結(jié)果修改recipe參數(shù)后，使用工具JMP10 Wilcoxon test對(duì)304pcs wafer defect改善效果進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖8。
Wilcoxon test p<0.05， Baseline和new wafer的defect level與STD存在顯著差異，但new condition的defect數(shù)量和穩(wěn)定性比baseline好。
2 結(jié)束語(yǔ)
（1）通過(guò)相關(guān)性分析，找出WAT參數(shù)與defect之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而把研究對(duì)象由defect問(wèn)題轉(zhuǎn)化為WAT問(wèn)題。（2）通過(guò)主成分分析法對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和分類，找出了潛在影響工藝質(zhì)量的參數(shù)，提高了分析工作的效率，為下一步的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)提供的方向。（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)多因子進(jìn)行分析并找到最佳工藝質(zhì)量的參數(shù)條件。在應(yīng)用最佳條件后，通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)的方法驗(yàn)證了改善后的WAT和defect遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原來(lái)的水平（baseline）。
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