濺鍍設備之薄膜應力模擬分析技術

作者：

林義鈞、黃智勇、陳冠州、李昌駿、劉彥禹、張哲培

刊登日期：2022/09/29

摘要：隨著半導體先進製程的開發，硬質光罩的好壞也是非常重要，由於氮化鈦具備高密度、低應力且硬度高的特性，目前半導體大廠都選用氮化鈦當作硬質光罩的材料，所以氮化鈦在半導體製程上的需求大幅增加；其中，濺鍍機台是主要用來製作氮化鈦薄膜。然而，氮化鈦鍍製受到腔體內製程溫度、壓力、流量等參數的影響，導致硬質光罩薄膜中會有殘留應力，易在蝕刻製程後變形，造成線路彎曲或圖案坍塌，因此殘留應力和翹曲量是值得深入探討。本文提出了一種製程導向模擬方法，用以估算最終的薄膜應力和翹曲量，透過模擬分析結果和實驗數據的殘留應力進行比較，模擬誤差率僅為2.75 %，之後利用薄膜應力數值，即可分析產生翹曲量。
Abstract：With the development of advanced semiconductor processes, the quality of the hard mask is also very important. Titanium nitride, with characteristics of high density, low stress and high hardness, has become major choice of present hard mask material for semiconductor manufacturers. Therefore, the for titanium nitride demand in semiconductor processes increases significantly. Titanium nitride films are mainly deposited by sputter equipment; however, being affected by the process temperature, pressure, flow rate and other parameters in the chamber, the deposited titanium nitride films usually retain residual stress. The residual stress will lead to hard mask deformation after etching, causing the circuit lines to bend or the patterns to collapse. Therefore, residual stress and warpage are worthy of further investigation. This article proposes a novel process-oriented simulation method to estimate the final film stress and warpage. Comparing the results of our simulation analysis with experimental data of residual stress, the simulation error is only 2.75 %. Finally, the warpage can be estimated from film stress.

關鍵詞：應力、濺鍍、氮化鈦
Keywords：Stress, Sputtering, Titanium nitride

前言
由於氮化鈦具備高密度、低應力且硬度高的特性，目前半導體大廠都選用氮化鈦當作硬質光罩的材料，其中濺鍍機台更是主要用來製作氮化鈦薄膜，在沉積氮化鈦薄膜時，又會受到殘留應力的影響，殘留應力可以分成兩種(1)異質應力與(2)本質應力，異質應力是因為薄膜與基板之間熱膨脹係數不同而造成，本質應力是在薄膜成核與成長製程期間產生，因此殘留應力和翹曲量是影響硬質光罩好壞的關鍵，值得深入研究探討。
首先是探討硬質光罩的重要性，在文獻第1-3篇中有詳細說明介紹，Liechao等人[1]使用Black Diamond(BD)當介電層材料(多孔且柔軟)，硬質光罩是用來解決BD支撐性不足的問題，TiN應力(1430 MPa)使結構彎曲且銅線路產生孔隙，分析Physical vapor deposition (PVD)腔體壓力對TiN薄膜應力之影響，增加腔體壓力4到35 mT，TiN薄膜應力約降至0。Torazawa等人[2]使用硬質光罩製作IC中的銅線路，須克服TiN遮罩的殘留應力，TiN的殘留應力和蝕刻表現與薄膜組成與晶體結構相關，參數化TiN殘留應力觀察溝槽位移量，改變PVD參數觀察TiN薄膜變化，通過減少TiN沉積過程中濺射原子的能量可以抑制晶粒成長，且保持蝕刻性能的同時，降低TiN薄膜之殘留應力，通過使用纖維紋理結構的TiN硬質光罩，可以抑制特定圖案處的溝槽變形，加強蝕刻表現。Ducoté等人[3]在矽烷氧化合物(多孔性材料)上使用硬質光罩會有變形產生，且利用有限元素模型分析可能使介電線產生變形的參數，模擬分析結果在高薄膜應力與實驗較符合，模擬沒考慮到蝕刻後介電線剖面的輪廓，可能是導致於低薄膜應力之模擬結果與實驗產生偏差10~15 nm的原因，開發低應力的TiN薄膜有助於改善介電線變形，僅考慮薄膜內應力可以模擬高內應力TiN之表現，可能是忽略了其它應力(ex.熱應力)使模擬與實驗有誤差。
接著針對濺鍍氮化鈦薄膜製程進行文獻搜索，重點找出對模擬分析有幫助的論文，舉凡文獻中探討包含像是殘留應力、薄膜內應力、腔體製程參數、晶格匹配問題、模擬分析設定等，以下共詳細整理說明14篇文獻。Ali等人[4]以奈米刮痕分析Ti/TiN鍍膜與高碳鋼之表面接合力，文中描述多層架構是一個有效控制殘留應力的方法，將Ti/TiN多層薄膜藉由有限元素法分析，找到多層材料中各層的最佳厚度，殘留應力包含熱應力與材料之內應力，增加夾層Ti可以降低TiN之殘留應力，較佳的夾層厚度可以進一步降低殘留應力，模擬中有使用熱應力與材料本身之內應，改善後之接合力可以增加18%。Qiu等人[5]是PVD硬質塗層的性能受其殘餘應力強烈影響，因為它可能導致塗層從基材上脫落，使工具的使用壽命降低，通過Finite Element Analysis (FEA)發現較高之殘留應力於塗層與基材之介面會有較大之剪應力。Śliwa等人[6]藉由有限元素分析PVD塗層Ti/TiN於燒結高速鋼之內應力，模擬TiN薄膜應力值與X光繞射儀之實驗值接近，且文中有描述熱應力可以參考分析TiN薄膜應力。Korsunsky等人[7]分析TiN塗層材料於WC‐Co基板上進行銑削圓柱之寬度與深度對於殘留應力之影響，以有限元素法分析環形銑削對於殘留應力釋放之效果。Liu等人[8]討論PVD製程參數對於TiN薄膜的影響，當DC功率提高TiN薄膜應力將會隨之增加，Ar/N2氣體比率的提高會使沉積率降低，沉積速率與沉積率會隨著總壓力增加而降低，氣體總壓力上升TiN薄膜內應力隨之下降，但原子受氣體壓力造成沉積效果變差，最佳化參數使得薄膜殘留應力落在-200 ~ -450 MPa。Jun等人[9]高內應力之TiN遮罩會使蝕刻產生缺陷，藉由調整濺射能量與後處理，使TiN薄膜產生拉伸殘留應力，比較不同條件下TiN中的殘留應力，拉伸殘餘應力的TiN遮罩可以抑制溝槽變形，使銅可以完整的填充。DeVries等人[10]比較兩種PVD之TiN薄模性質，PVD之TiN遮罩可以使蝕刻之品質更好。Kim等人[11]探討蝕刻圖形幾何對於溝槽因自身殘留應力變形縮小之影響，TiN之殘留應力對於溝槽變形的關係，溝槽變形量隨著溝槽寬度減少而減小，相反的隨壁厚減少而增加，溝槽周圍的圖形高密度能夠降低通道壁的變形，且非對稱的圖形密度可以降低通道壁的變形，隨著周圍溝槽密度變大溝槽壁的變形量越小。Xiang等人[12]量測晶格的變形量，來探討微結構下TiN之薄膜內應力，薄膜厚度從20 nm增加至240 nm，應力從-7.03 GPa 降低至-0.46 GPa，從文中得知TiN晶面方向大多是(002)，因此後續模擬考慮等向性即可。Dong等人[13]研究直流磁控PVD之調製週期對於TiN/Ti 多層薄膜機械性能之響應，減少調製週期能夠降低多層薄膜(TiN/Ti)之平均殘留應力，但會加大應力不均勻現象，模擬需考慮薄膜厚度方向上之機械特性梯度。Zhang等人[14]探討在PVD製程中基板偏置功率對TiN薄膜殘留應力的影響，降低偏置功率降低堆疊結構中的殘留應力，可能需要藉由CFD模擬考慮電壓差效應，研究此參數對於PVD的影響。Pauleau [15]使用不同模型，來模擬分析殘餘應力，可從文獻中獲得薄膜本質應力相關數值。Wang等人[16]探討不同的N2壓力、脫氣溫度和加熱器溫度可以控制直流功率濺射中的TiN應力，我們需要在有限元素法中考慮這些製程參數，像是流量、壓力、加熱器溫度等。Knisely等人[17]開發一種使用多步驟沉積工藝來控制 AlN 薄膜的殘餘應力和應力梯度的方法，使我們了解到許多控制AlN 薄膜製程的方法。

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