Fab-A 缺陷發生點實驗二結果

從 表 3-2 第一片條件(淺溝槽隔離高密度電漿沉積 10 秒)的缺陷數量 可看出，掀起缺陷在一開始的淺溝槽隔離高密度電漿沉積就已經開始 產生，表示掀起缺陷最初發生點在淺溝槽隔離高密度電漿氧化層主沉 積階段，在電漿一開始反應就形成，圖 3-14 的沉 積 時 間 對 應 掀 起 缺 陷 圖 可 得 知 隨 著 沉 積 時 間 拉 長 ，其缺陷數量也會因而增加，但

有些缺陷可能會包覆在淺溝槽隔離高密度電漿沉積薄膜中而尚未能 在 STIDEP 沉積檢驗帳點檢驗出來，必須流程到 STI-CMP 研磨的步 驟，其掀起缺陷會被 STI-CMP 研磨一併研磨帶走掉，待 STI 裸露出 來時，才能知道實際 bubble 缺陷數量多寡。從 實 驗 二 可 得 知 其 bubble 缺陷發生點是介 於 內 墊 層 間 跟 淺 溝 槽 隔 離 高密度電漿氧 化 層 充 填 之 間。另 外，我們從圖 3-15 的預 熱 時 間 對 應 掀 起 缺 陷 圖 比較，

也發現如果延長預熱的時間，可有效降低掀起缺陷數量，表示延長預 熱時間，使晶片有足夠的時間將薄膜表面的水氣先揮發出來，增加其 薄膜附著能力，避免 bubble 缺陷掀起。

圖 3-14 沉 積 時 間 對 應 掀 起 缺 陷 圖

圖 3-15 預 熱 時 間 對 應 掀 起 缺 陷 圖

stress)與壓應力(compressive stress)。張應力是當膜施力向外伸張，基 板向內壓縮、膜表面下凹，薄膜因為有張應力的作用，薄膜本身產生 收縮的趨勢，如果膜層的張應力超過薄膜的彈性限度，則薄膜就會破 裂甚至剝離基板而翹起。壓應力則呈相反的狀況，膜表面產生外凸的 現象，在壓應力的作用下，薄膜有向表面擴張的趨勢。相同的如果壓 應力到極限時，則會使薄膜向基板內側捲曲，導致膜層起水泡。數學 上表示方法為張應力—正號、壓應力—負號。造成薄膜應力的主要來 源 有 外 應 力 (external stress) 、 熱 應 力 (thermal stress) 及 內 應 力

(intrinsic stress)，其中，外應力是由外力作用施加於薄膜所引起的；

熱應力是因為基板與膜的熱膨脹係數相差太大而引起，此情形發生於 製鍍薄膜時基板的溫度，冷卻至室溫取出而產生。內應力則是薄膜本 身與基板材料的特性，主要取決於薄膜的微觀結構和分子沉積缺陷等 因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜與基板邊界之相互作用就相當重 要，這完全控制於製鍍的參數與技術上，此為壓力的主要成因。

圖 3-16 薄 膜 應 變 狀 況 [22]

第四章、實驗結果與討論

4.1 Fab-A 改善掀起缺陷→實驗三條件

實驗三主要新舊參數差異如表 4-1 所示， 主 要 針 對 O2預熱(O2

heat up)步驟做改變， 實 驗 條 件 有 三 種 ， 條 件 一 是 原 本 的 舊 程 式 (baseline;low power heat-up) 一 段 式 步 驟 的 RF 能 量 (1300W/3100W) ， 預 熱 時 間 80 秒 ， 晶 片 在 夾 盤 預 熱 狀 態 是 pin-down。條 件 二 是 用 high power heat-up也 是 一 段 式 步 驟 的 RF 能 量 (2500W/3100W)， 預 熱 時 間 也 是 80 秒 ， 晶 片 在 夾 盤 預 熱 狀 態 也 是 pin-down。 條 件 三 new recipe則 分 三 段 RF能 量 ， 三 段 不 同 預 熱 時 間 (共 110 杪 )， 晶 片 在 夾 盤 預 熱 狀 態 是 pin-up， 晶 片 用 pin-up預 熱 ， 其 晶 片 受 熱 面 積 會 較 均 勻 ， 其 傳 熱 速 度 會 比 pin-down方 式 來 的 快 些 。

表 4-1 O2預 熱 步 驟 新 舊 程 式 差 異

圖 4-1 不同預熱程式 WTM Profile 圖 4.2 FAB-A 改善掀起缺陷→缺陷檢驗實驗三結果

實 驗 結 果 其 條 件 一 舊 程 式 低 能 量 預 熱 ， 會 有 bubble 掀 起 缺 陷 的 問 題，條 件 二 高 能 量 預 熱，雖 然 可 改 善 bubble 掀 起 缺 陷 的 問 題，但 因 能 量 太 高 會 導 致 機 台 內 壁 會 有 掉 落 缺 陷 問 題，以 條 件 三 分 三 階 段 能 量 預 熱 ， 並 搭 配 pin-up 功 能 ， 改 善 bubble 掀 起 缺 陷 效 能 最 佳，可 改 善 製 程 bubble 掀 起 缺 陷 也 能 控 制 機 台 掉 落 缺 陷 的 問 題 ， 原 因 可 從 圖 4-1 WTM 圖 看 出 端 倪 ， 條 件 一 低 能 量 預 熱 ， 其 預 熱 到 沉 積 的 溫 度 差 最 大 近 300℃， 所 以 會 有 產 品 薄 膜 預 熱 到 沉 積 前 的 膨 漲 係 數 差 異 過 大，所 造 成 的 製 程 上 所 引 起 的 掀 起 缺 陷，條 件 二 高 能 量 預 熱，雖 然 可 降 低 預 熱 到 沉 積

的 溫 度 差 ， 但 高 能 量 的 能 量 太 強 會 導 致 機 台 有 掉 落 缺 陷 問 題 ， 因 此 也 不 適 用 ， 而 條 件 三 是 分 三 階 段 能 量 預 熱 搭 配 pin-up 功 能，其 預 熱 到 沉 積 的 溫 度 差，可 從 原 先 差 300℃降到 200℃，讓 薄 膜 預 熱 到 主 沉 積 前 的 膨 脹 係 數 差 異 不 要 太 大，減 緩 熱 應 力 作 用 。

圖 4-2 為 針 對 新 舊 程 式 各 選 20 片 晶 片 去 沉 積 淺 溝 槽 隔 離 高 密 度 電 漿 氧 化 層 薄 膜，沉 積 完 檢 驗 其 缺 陷 狀 況，從 缺 陷 趨 勢 圖 可 看 出 新 程 式 (三 階 段 能 量 預 熱 搭 配 pin-up 功 能 )改 善 掀 起 缺 陷 能 力 比 現 行 舊 程 式 好，因 為 新 程 式 減 緩 預 熱 步 驟 到 主 沉 積 步 驟 之 間 的 溫 度 差 ， 降 低 薄 膜 預 熱 到 沉 積 前 的 熱 膨 脹 係 數 的 差 異 。

圖 4-2 新舊 STI-HDP 程式的掀起缺陷圖

4.3 FAB-A 改善掀起缺陷→良率結果

為 了 驗 證 新 程 式 對 產 品 良 率 的 改 善 程 度 ， 故 以 兩 批 產 品 (產

舊 程 式 分 別 各 沉 積 一 半 的 淺 溝 槽 隔 離 高 密 度 電 漿 氧 化 層 薄 膜，後 續 步 驟 則 按 照 正 常 流 程 到 整 個 產 品 製 程 結 束，最 後 再 比 較 其 良 率 上 的 差 異，圖 4-3 為 兩 個 產 品 在 良 率 的 差 異，結 果 顯 示 新 的 STI-HDP 程 式 其 良 率 改 善 會 比 舊 程 式 高 約 1~3%。

圖 4-3 新舊 STI-HDP 程式的良率差異

4.4 FAB-B 改善掀起缺陷→實驗四條件

Fab-B 所用的淺 溝 槽 隔 離 高 密 度 電 漿 氧 化 層 的 機 型 跟 Fab-A 不 同，Novellus-Speed 機型並沒有偵測晶片溫度功能，所以無法提供 溫度曲線的分佈來調整參數，降低預熱和主沉積之間的溫差，所以

Fab-B 實驗步驟點鎖定在淺溝槽隔離內墊熱氧化層步驟，在淺溝槽隔 離內墊熱氧化層沉積完後多加一道比原先熱氧化層高 100℃並通氮氣 的現場退火步驟，目的是利用高溫去除內墊熱氧化層薄膜的水氣，釋 放晶片表面的熱應力，減緩與後層薄膜的熱膨 脹 係 數 差 異 ，而通氮 氣目的是用來氮化內墊熱氧化層表面以增加晶片表面與後層薄膜的

附著能力，降低 bubble 掀起的數量。

積後的SEM圖可看出薄膜因張應力施力破裂剝離， 形 成 掀 起 缺 陷 ， 在 晶 邊 的 缺 陷 狀 況 SEM圖 可 看 出 有 些 在 晶 邊 的 bubble缺 陷 已 經 被 剝 離，也 些 則 尚 未 被 剝 離，缺 陷 成 鼓 起 狀 態，此 缺 陷 若 續 流 程 到 STI-CMP研 磨 則 會 變 成 一 凹 洞 缺 陷，導 致 淺溝槽隔離之間的 薄膜不連續。

表 4-3 實 驗 四 STIDEP 缺 陷 檢 驗 結 果

圖 4-4 實驗四 STIDEP 檢驗之缺陷趨勢線

圖 4-5 實驗四有加現場退火步驟的 STIDEP 缺陷圖

圖 4-7 實驗四無現場退火步驟的 SEM 缺陷圖 4.6 FAB-B 改善掀起缺陷實驗四結果→電性結果

實驗證明 Fab-B 在淺溝槽隔離內墊熱氧化層沉積後多加一現場 退火步驟， 可有效降低 bubble 掀起缺陷產生， 但 比 較 FAB-A 與 FAB-B 的 電 性 結果如表 4-4，發現 Fab-B 的 N 井 區 阻 值 高 達 4584 Ohm-cm， 超 出 客 戶 要 求 的 阻 值 規 格 3045 Ohm-cm， 跟 Fab-A 的 N 井 區 阻 值 2768 Ohm-cm 比 較 ， Fab-B 的 N 井 區 阻 值 比 FAB-A 的 N 井 區 阻 值 高 出 50%以 上 ， 比 較 幾 批 N 井 區 阻 值 的 電 性 結 果，Fab-B 的 N 井 區 阻 值 都 比 FAB-A 的 N 井 區 阻 值 高 (圖

4-8)。

表 4-4 FAB-A 與 FAB-B 之 N 井區阻值表

4.7 FAB-B 電性異常分析~機台釐清

首先先澄清是否為中電流植入機台偏移導致N井 區 阻 值 飄 高 ， 故 針 對 N井 區 植 入 步 驟 分 三 種 不 同 劑 量 ， 正 常 N井 區 植 入 的 劑 量 是 與 阻 值 呈 反 比，實 驗 條 件 如 表 4-5 所 示，第 一 種 條 件 為 現 行 生 產 程 式 的 劑 量 (8E+12)， 第 二 種 條 件 為 增 加 劑 量 (1E+13)，

第 三 種 為 減 少 劑 量 (5E+12)， 此 三 片 分 別 依不同實驗條件植入不 同劑量， 待 三 片 植 入 完 ， 再 一 起 量 其 N井 區 的 阻 值 ， 實 驗 結 果 如 圖 4-9 所 示，其 阻 值 趨 勢 圖 是 呈 逆 線 性 分 佈 (R²=0.9752)，植 入 劑 量 愈 多 阻 值 愈 低 ， 澄 清 N井 區 阻 值 飄 高 並 非 植 入 機 台 異 常 所 致 。

表 4-5 N 井 區 植 入 劑 量 條 件 與 阻 值

圖 4-9 N 井區植入阻值

4.8 文獻回顧~磊晶矽膜製程簡介

由 於 該 研 究 的 產 品 為 繪 圖 晶 片 的 產 品，對 電 性 要 求 會 比 較 嚴 謹，因 此 晶 片 材 料 需 用 到 矽 磊 晶 製 程 的 晶 片，高 階 產 品 之 所 以 要 求 用 磊 晶 晶 片 主 要 是 傳 統 拉 晶 的 晶 片 會 在 長 晶 過 程 造 成 空 缺 孔 洞 缺 陷 ， 這 種 缺 陷 型 態 稱 為 COP(crystal originated

particles)缺 陷，圖 4-10 為 COP 對 電 性 的 影 響 程 度，COP 在 SEM 的 形 狀 是 菱 形 狀， 而 COP 缺 陷 的 尺 寸 會 隨 著 DRAM 製 程 演 進 要 求 愈 嚴 苛 ， COP 缺 陷 對 高 階 產 品 電 性 影 響 很 大 ， COP 若 落 在 井 區 的 匯 合 點，會 導 致 P-N 匯 合 點 漏 電 流，若 落 在 STI 區 ， 則 會 影 響 STI 在 元 件 隔 離 的 問 題，若 落 在 閘 極 區，則 會 導 致 崩 潰 電 壓 較 低 的 問 題 產 生 。

圖 4-10 矽磊晶之 COP 缺陷對電性影響 4.8.1 矽磊晶製程

矽磊晶的應用，主要是在一含高濃度摻入雜質的矽基座 (Heavily

方式長兩層薄膜(PBS & oxide)來避免自動掺入產生。

圖 4-11 磊晶 SIMS 深度剖面圖

4.9 FAB-B 的 N 井區阻值異常分析~SIMS 分析實驗設計

圖 4-12 為分析 FAB-A 與 FAB-B 在 N 井區阻值差異的 SIMS 實驗 流程圖，也 是 跟 產 品 相 同 一 樣 是 用 P-type 的 4um 的 磊 晶 晶 片 ，

FABA 與 FAB-B 各一片， 從 氮 化 矽 沉 積 步 驟 ， 模擬兩個生產線實 際生產流程狀況， 一 直 到 N 井 區 植 入 步 驟 結 束 ， 其 中 唯 一 的 差 異 是 在 淺溝槽隔離氧 化 層 沉 積 步 驟 ， FAB-A 是沒有額外的現場退 火步驟， 而 FAB-B 是有加額外的現場退火步驟， 待 N 井 區 植 入 完 再 一 起 做 SIMS 分 析 。

圖 4-12 SIMS 實驗流程圖

4.10 FAB-B 的 N 井區阻值異常分析~阻值飄高形成分析

圖 4-13 為 FAB-A & FAB-B 的 SIMS 實驗分析結果，比較兩個生 產線的 SIMS 結果， 發 現 FAB-B 是 因 為 P 矽 基 座 的 高 摻 入 雜 質 濃 度 埋 層 (Heavily Doped Buried Layer) 有 氣 相 自 動 掺 入

(Auto-doping)到 低 掺 入 雜 質 的 磊 晶 層 中，導 致 原 本 在 N 井 區 植 入 深 度 的 phosphorous 濃 度 範 圍 ， 正 常 是 不 應 該 有 磊 晶 boron 濃 度，因 氣 相 自 動 掺 入 (圖 4-14)，磊 晶 boron 濃 度 (提 供 額 外 電 洞 )跑 到 N 井 區 植 入 phosphorous 濃 度 (提 供 額 外 電 子 )範 圍 內 ， 導 致 N 井 區 植 入 phosphorous 劑 量 不 足，造 成 N 井 區 阻 值 飄 高。

圖 4-13 FAB-A & FAB-B 的 SIMS 實驗分析結果

4.11 FAB-B 的 N 井區阻值異常分析~阻值飄高形成分析

值 可 發 現 降 低 STI 內 壁 熱 氧 化 層 的 現場退火時間，確 實 可 降 低 N 井 區 阻 值 ， 現場退火時間若從 90 分降到 30 分， 就 可 降 約 30% N 井 區 阻 值 (從 4416 ohm-cm 降 到 3080 ohm-cm)， 但 仍 超 出 規 格 無 法 達 到 客 戶 要 求，其 中 以 條 件 三 (片 號 5-6) FAB-A 的 N 井 區 阻 值 ， 最 能 符 合 規 格 (2658 ohm-cm)， 但 此 條 件 雖 然 能 改 善 N 井 區 阻 值 的 問 題 ， 卻 有 掀 起 缺 陷 的 問 題 ， 圖 4-15 為 實 驗 五 的

值 可 發 現 降 低 STI 內 壁 熱 氧 化 層 的 現場退火時間，確 實 可 降 低 N 井 區 阻 值 ， 現場退火時間若從 90 分降到 30 分， 就 可 降 約 30% N 井 區 阻 值 (從 4416 ohm-cm 降 到 3080 ohm-cm)， 但 仍 超 出 規 格 無 法 達 到 客 戶 要 求，其 中 以 條 件 三 (片 號 5-6) FAB-A 的 N 井 區 阻 值 ， 最 能 符 合 規 格 (2658 ohm-cm)， 但 此 條 件 雖 然 能 改 善 N 井 區 阻 值 的 問 題 ， 卻 有 掀 起 缺 陷 的 問 題 ， 圖 4-15 為 實 驗 五 的