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时间:2017-10-22
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1、铝刻蚀工艺中腐蚀问题的调查和改善 摘要:铝作为金属互连材料,在90纳米以上工艺中还将长期存在。铝腐蚀问题(AlCorrosion)是铝线工艺的一种主要缺陷。适当的工艺条件组合和制程的管控,并不能完全杜绝铝腐蚀问题的发生。本文通过精心的实验设计,完整的实验数据分析,确认了本生产线铝腐蚀问题发生原因的一般共性和特殊之处。验证了烘烤步骤和清洗步骤的效果,发现并指出了背面清洗的重要性。总之,铝腐蚀问题的解决之道需要结合不同生产线的具体情况,进行具体的实验分析,提出适合各自生产厂的防止方案。 关键词:铝腐蚀;AlCorrosion;聚合物;Polymer;烘烤;bake
2、;清洗;Clean 中?D分类号:TN405.7文献标识码:A文章编号:1671-2064(2017)08-0074-02 铝作为半导体芯片的主要金属互连材料,迄今仍然在90纳米以上工艺中得到很好的应用。铝线刻蚀工艺中最让人头痛的是铝腐蚀问题(AlCorrosion)。由铝腐蚀而导致的废片往往给芯片制造厂带来惊人的损失。因此,防范铝腐蚀的发生,一直是集成工程师极为重要的任务。本文是一项铝腐蚀改善课题的结论性报告。 1铝腐蚀机理 为了解决铝腐蚀的问题,我们必须对铝腐蚀的机理作必要的认识。金属铝干法刻蚀通常用到以下特殊气体:Cl2、BCl3、CHF3和CF4等
3、。BCl3在刻蚀初始分解表面自然氧化层Al2O3;主刻蚀气体Cl2与铝发生化学反应,生成可挥发的AlCl3;CHF3是主要的钝化气体,与光刻胶反应生成的聚合物(Polymer)会沉积在光刻胶和铝线侧壁,保护铝线侧壁不被横向刻蚀;而CF4中F可以用来置换光刻胶和侧壁聚合物中吸收的Cl[1]。当铝刻蚀完成后,在去胶之前,光刻胶、侧壁聚合物、硅片表面残留的Cl和AlCl3会和空气中的水分发生自循环反应[2]。这种反应在Al-Cu合金中将更加剧烈(galvaniccorrosion)。为了解决这一问题,现代制造工艺将铝刻蚀和去胶工艺做成同场作业(In-situ)模式(因为
4、Cl/AlCl3主要吸附于光刻胶中),直接在准真空环境下去除富含Cl元素的光刻胶,这样就极大地降低了铝腐蚀发生的风险。但是刻蚀同场去胶只能去除光刻胶,而无法去除铝线和光刻胶侧壁的聚合物(Polymer),所以在铝刻蚀后需要追加一步湿法化学去聚合物的工序。 2实验和分析 在生产过程中,我们发现,即使我们严格控制了工序之间的等待时间(QueueTime),但是铝腐蚀的问题还是经常发生。这要求我们进一步改善现有的工艺和流程,以降低铝腐蚀发生的风险。 2.1实验一 实验一:D/W/B组合。实验条件设计见表1所示。 其中:(1)D表示干法铝刻蚀现状条件,D+表示通
5、过干法刻蚀条件的改变,增大聚合物的产生量。(2)W表示湿法去Polymer现状条件,W+表示加强去聚合物能力;W-表示降低去聚合物的能力。(3)B表示追加额外的烘烤步骤。 在大气状态放置前后分别进行自动外观检,并通过铝腐蚀的缺陷个数来评价条件的优劣。通过对断面SEM的观察,发现增加聚合物产生量的目的得到实现,见图1和图2的比较。此时光刻胶已经被去除,只留下侧壁聚合物。增大聚合物条件D+叠加W-条件的SEM观察结果也达到了我们的实验设计目的,见图3和图4的比较。比较可以看出,图4的聚物残留比图3的要多。通过自动外观检查,D+W-条件的wafer在大气环境下发生了铝
6、腐蚀,聚合物增加D-叠加W-的wafer(wafer6)KLA自动外观检结果如图5所示。 实验一结论如下:(1)湿法聚合物去除不足(W-),就有发生铝腐蚀的风险。见Wafer6;(2)湿法聚合物去除之后,追加烘烤,可以增强抗铝腐蚀的能力,见wafer7。 2.2实验二 由实验一可知,侧壁聚合物的去除程度的确会影响到腐蚀的发生。但是实验一的铝腐蚀程度非常轻微,未能很好的反映出各个实验条件的差异。所以我们又设计了实验二,专注于湿法工艺(W)和烘烤步骤(B),并且用wet-box24小时放置进行加速腐蚀,以利于实验结果的放大和比较。实验二:W/B/wet-box,
7、实验条件设计见表2所示。 其中:(1)W表示湿法去Polymer现状条件,W+表示加强去聚合物能力;(2)B表示追加额外的烘烤步骤。不同的+的个数表示烘烤时间的长短。 所有实验wafer在大气环境中放置一天和三天,都没有观察到铝腐蚀的发生。按计划追加了wet-box24小时放置实验,放置条件如图6所示。 经过24小时wet-box放置,Wafer2,3,4发生了严重的铝腐蚀,Wafer5有轻微的发生。其他wafer没有发生铝腐蚀。同样条件的wafer1和wafer2,Wafer4和wafer5,结果却是差异巨大。让我们对烘烤的效果产生了怀疑。经过仔细的研究和
8、思考,作出
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