铝刻蚀工艺中腐蚀问题的调查和改善

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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