鄭若成，曾慶平，吳素貞，王印權(quán)，吳建偉，徐海銘，洪根深

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

反熔絲電路因其具有高集成度、高速、低功耗、高保密性、高可靠性[1]、抗輻射特性好[2-4]、與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，近年來在業(yè)界獲得廣泛的研究和應(yīng)用。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于軍事、航空、航天等領(lǐng)域。MTM反熔絲單元是一種典型的反熔絲器件，由上下金屬電極和兩電極之間的反熔絲薄膜介質(zhì)層組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。MTM反熔絲單元在未編程狀態(tài)下處于高阻狀態(tài)，阻值通常大于1 GΩ，編程后單元?jiǎng)t處于低阻狀態(tài)，阻值通常小于100 Ω，可用于非易失性存儲器（PROM）及可編程邏輯器件（FPGA）電路中。由于MTM反熔絲單元的非揮發(fā)性，電路不會因輻射導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，因此常被用于對抗輻射特性有較高要求的空間應(yīng)用系統(tǒng)中，已經(jīng)成為空間領(lǐng)域的主流技術(shù)之一。

圖1 MTM單元結(jié)構(gòu)示意圖

目前國際上研究MTM反熔絲的單位以美國ACTEL公司為代表，經(jīng)過近幾十年的技術(shù)積淀，工藝水平已達(dá)到0.15 μm。國內(nèi)方面，中國電科第58所在MTM反熔絲工藝方面也進(jìn)行了較深入的研究，技術(shù)能力達(dá)到0.18 μm工藝技術(shù)水平。

MTM反熔絲薄膜工藝是MTM反熔絲單元最關(guān)鍵的單項(xiàng)工藝，直接決定反熔絲單元的常態(tài)、編程、可靠性以及抗輻照等特性。該薄膜工藝可以采用PVD（Physical Vapor Deposition）設(shè)備、蒸發(fā)設(shè)備或者CVD（Chem ical Vapor Deposition）工藝設(shè)備進(jìn)行開發(fā)。不同工藝形成的MTM薄膜介質(zhì)特性會有一定差異。鑒于MTM薄膜介質(zhì)對于MTM反熔絲單元的重要性，本文基于CVD工藝設(shè)備，提供一種采用DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行單項(xiàng)工藝開發(fā)的方法，為科研生產(chǎn)工作中各種關(guān)鍵單項(xiàng)工藝的開發(fā)提供參考和借鑒。

2 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)基于工藝線CVD設(shè)備進(jìn)行薄膜工藝菜單開發(fā)，主要工藝參數(shù)包括溫度、射頻（RF）、反應(yīng)氣體1流量、基座間距、淀積時(shí)間等。其中射頻和反應(yīng)氣體1流量、基座間距等對MTM介質(zhì)特性影響較大。在進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)前，一般需要有一個(gè)基準(zhǔn)菜單，這個(gè)菜單可以基于工藝線經(jīng)驗(yàn)或者工藝線類似的菜單（對于新引進(jìn)設(shè)備，一般可以要求供應(yīng)商提供一個(gè)基準(zhǔn)菜單），基準(zhǔn)工藝菜單如表1所示。

表1 基準(zhǔn)工藝菜單

根據(jù)機(jī)理分析和工藝需要，選定射頻功率、氣體1流量和基座間距作為DOE試驗(yàn)的輸入因子，對薄膜特性影響顯著的薄膜厚度均勻性、折射率以及應(yīng)力作為工藝響應(yīng)因子，DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 DOE試驗(yàn)的因子和水平設(shè)置

厚度均勻性規(guī)范為2%以內(nèi)，折射率4.2±0.1，應(yīng)力小于250 MPa，DOE響應(yīng)參數(shù)規(guī)范設(shè)置如表3所示。

表3 DOE試驗(yàn)的響應(yīng)設(shè)置

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 初步工藝調(diào)試

MTM介質(zhì)淀積速率、均勻性等隨基座間距、RF功率、反應(yīng)氣體1流量變化如表4所示。RF增加，淀積速率增大，均勻性變差，RF=40 W時(shí)均勻性均不滿足規(guī)范要求，需要進(jìn)一步降低射頻功率。氣體1流量減小淀積速率減小，均勻性變差，但流量在75 sccm時(shí)部分條件均勻性滿足規(guī)范要求，可進(jìn)一步增大拉偏確認(rèn)工藝窗口。但各參數(shù)之間存在交互影響，因此需要更多驗(yàn)證以綜合考慮。基座間距減小，淀積速率增加且均勻性變好，基座間距400 mils及以下均勻性均滿足規(guī)范條件，實(shí)際需進(jìn)一步降低拉偏。引起均勻性變化的主要原因是邊緣點(diǎn)厚度變化，當(dāng)基座間距減小和RF減小時(shí)，邊緣處厚度增加并接近均值?；g距變小，邊緣增加的厚度較多，彌補(bǔ)了原來中心與邊緣極差較大的情況，改善了均勻性。射頻功率減小，均勻性增加，趨勢相仿。另外由表4中的數(shù)據(jù)可知，淀積時(shí)間越長，淀積速率越大，薄膜均勻性和折射率略有減小，但變化不大，因此淀積時(shí)間對薄膜介質(zhì)特性影響較小，且實(shí)際工藝中時(shí)間主要由薄膜厚度決定，因此在后續(xù)各工藝參數(shù)確認(rèn)過程中將主要考慮基座間距、射頻功率和氣體1流量3個(gè)主要因素。

3.2 工藝窗口確認(rèn)

通過工藝初步調(diào)試，與均勻性、折射率、應(yīng)力有關(guān)的主要因素包括工藝基座間距、射頻和氣體1流量。根據(jù)初步調(diào)試的結(jié)果可知，基座間距以370 m ils為中心進(jìn)一步降低拉偏，射頻功率以35 W為中心進(jìn)一步降低拉偏，氣體1流量進(jìn)一步增大拉偏，工藝?yán)珬l件及參數(shù)測試結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5中的試驗(yàn)結(jié)果可知，采用交互影響的二階效應(yīng)對射頻功率與基座間距對均勻性和應(yīng)力的影響進(jìn)行分析，當(dāng)氣體1流量固定在65 sccm時(shí)，基座間距從340 mils到400 mils，射頻從32 W到38 W沒有工藝窗口。當(dāng)反應(yīng)氣體1流量固定在75 sccm時(shí)，工藝窗口較小。將氣體1固定在85 sccm時(shí)，基座間距從340 mils到400 mils，射頻從32 W到38 W存在良好的工藝窗口，如圖2所示。故推薦工藝條件為圖2（b）中空白區(qū)域的中心位置，即基座間距=370 mils、RF=32 W、反應(yīng)氣體1的流量為85 sccm。

表4 初步工藝調(diào)試結(jié)果

表5 工藝窗口確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 氣體1流量為75 sccm、85 sccm時(shí)窗口確認(rèn)結(jié)果

3.3 工藝一致性驗(yàn)證

根據(jù)DOE試驗(yàn)最佳工藝條件基座間距370 mils、射頻功率32 W、氣體1流量85 sccm，進(jìn)行30片wafer流片驗(yàn)證重復(fù)性，對此工藝重復(fù)性驗(yàn)證的30片wafer進(jìn)行膜厚、均勻性、折射率、應(yīng)力參數(shù)重復(fù)性統(tǒng)計(jì)分析，如表6所示，對應(yīng)的30片wafer膜厚均勻性統(tǒng)計(jì)如圖3所示。由表6可知，重復(fù)流片驗(yàn)證各項(xiàng)參數(shù)均滿足指標(biāo)要求，根據(jù)重復(fù)流片驗(yàn)證3σ確定各參數(shù)控制規(guī)范。

表6 重復(fù)性流片驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

根據(jù)多批次流片結(jié)果統(tǒng)計(jì)制定的規(guī)范以及相應(yīng)的Cpk值見表7。

表7 各監(jiān)控參數(shù)規(guī)范與相應(yīng)的Cpk值

4 結(jié)論

基于工藝線CVD工藝設(shè)備，通過對MTM薄膜特性影響較大的輸入因子射頻RF、氣體1流量以及基座間距等進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，針對厚度均勻性、折射率以及應(yīng)力3種工藝參數(shù)響應(yīng)，初步找到了“最佳”的工藝條件：基座間距約370 m ils，射頻功率約32 W，反應(yīng)氣體1流量約85 sccm。

圖3 介質(zhì)均勻性重復(fù)性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

本文進(jìn)行的DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)還有幾個(gè)輸入因子，如工藝溫度和反應(yīng)氣體2的流量等，為簡化數(shù)據(jù)分析，將其設(shè)為一個(gè)定值；在響應(yīng)上，除了工藝參數(shù)響應(yīng)之外，還需考慮反熔絲單元的電特性響應(yīng)，包括常態(tài)特性、編程特性以及可靠性等，因此基于工藝參數(shù)響應(yīng)確定的“最佳”工藝條件并不是已經(jīng)完全確定的具體值，而是具有一定容寬范圍的，對此容寬范圍的反熔絲單元進(jìn)行電特性評價(jià)，當(dāng)反熔絲單元電特性滿足要求后，反熔絲薄膜工藝菜單才最終確定下來。盡管本文提供的DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)還不完善，但不影響基于DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)在單項(xiàng)工藝開發(fā)中的應(yīng)用。

基于PVD設(shè)備，采用DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)單項(xiàng)工藝開發(fā)方法，本單位完成了反熔絲薄膜介質(zhì)工藝菜單的開發(fā)，根據(jù)該工藝制作的MTM反熔絲單元漏電和擊穿一致性良好，編程前開態(tài)電阻、編程后電阻以及可靠性均滿足產(chǎn)品使用要求。