AlCu合金的反應離子刻蝕工藝研究

茍 君，吳志明，太惠玲，袁 凱

(電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都610054)

1 引言

由于Al及其合金具有較高的導電率、較好的對下層襯底或介質的粘附性、良好的延展性等優點而被廣泛地用作半導體器件及VLSI的互連金屬［1－2］。因此，Al及其合金的刻蝕是微細加工中的關鍵工藝之一。目前，多數工藝線采用反應離子刻蝕技術對Al及其合金進行干法刻蝕，它是一種物理和化學作用相結合的刻蝕技術［3］?？涛gAlCu合金一般采用氯基刻蝕劑，如 BCl3，Cl2，CCl4，SiCl4，HCl 等［1］。BCl3在AlCu的反應離子刻蝕中是必要的，因為鋁表面一般有一層氧化物，氯不能刻蝕這層表面，須添加BCl3增加濺射量去除。同時Cu的生成物揮發性很差，增大 BCl3的轟擊有利于 Cu的去除［4－5］。但BCl3分解度較低，刻蝕Al的速率較慢，所以通常與Cl2一起混合使用。通常，還在刻蝕氣體中加入一定量的中性氣體用于減少側向刻蝕，經常使用的有N2、CHF3、C2H4等，N2與側壁 Al 生成 AlxNy［2］，CHF3等與光刻膠反應生成聚合物沉積在側壁上，防止橫向腐蝕的進一步進行。

微細加工中的圖形非常精細，要求刻蝕時要潔凈，避免由于刻蝕反應引入沾污，并最大限度地避免刻蝕后殘留物的出現［6］。但刻蝕后表面出現殘留物是AlCu合金刻蝕中經常遇到的問題，這可能影響器件的性能和成品率。因此，刻蝕獲得清潔表面或刻蝕后殘留物的去除是AlCu合金刻蝕的關鍵之一。

實驗中采用BCl3、Cl2和N2刻蝕AlCu合金，并加入少量文獻中較少報道的CH4氣體用于形成聚合物以保護側壁。通過實驗對工藝參數進行優化，分析了CH4的側壁保護作用，并重點研究了刻蝕殘留物的去除，最終實現細線條Al的刻蝕。

2 刻蝕設備與工藝

刻蝕設備為德國FHR公司生產的RIE 150×4。刻蝕過程中，為幫助生成物揮發，腔體溫度設置為57℃。此外，基片溫度設為3℃。

采用BCl3和Cl2刻蝕Al合金，并在刻蝕氣體中加入N2和CH4。其中N2除保護側壁外，還是轟擊氣體，也可以稀釋刻蝕劑，起到調節刻蝕速率和提高均勻性的作用。但實驗中發現N2的加入會使得生成的側壁聚合物變得疏松，如果不進行后處理工藝，則聚合物會掉落，造成漏電現象，故N2流量不能太大。加入CH4主要用于形成聚合物以保護側壁。

結合Al合金刻蝕的特殊性，刻蝕分四步進行:第一步主要用到BCl3，用來去除鋁膜表面的氧化層;第二步為主蝕刻，Cl2在刻蝕中起主要作用;第三步為過刻蝕;第四部用CF4處理，以F置換Cl離子，抑制后腐蝕的發生。

3 實驗結果與討論

3.1 刻蝕工藝優化

實驗中改變各工藝參數，發現各工藝參數對刻蝕的影響大致如表1所示。

表1 各工藝參數對刻蝕的影響

其中:↑表示增大;↓表示減小;↑↑表示急劇增大。

對比各參數的影響，實驗最終確定主刻蝕階段功率200W，氣壓4Pa，氣體配比為BCl3∶Cl2∶N2∶CH4=4∶4∶1∶1。主刻蝕前增大BCl3的物理轟擊，以去除氧化物。過刻蝕時同樣增大物理轟擊，以去除Cu殘留物，因為Cu主要附集于Al合金底部與下層襯底的界面處［7－8］，刻蝕結束后在較低功率較高氣壓下采用CF4等離子體處理以F置換Cl離子，減少后腐蝕。采用此工藝刻蝕后取得了較好的效果，刻蝕速率為80nm/min，對光刻膠選擇比大于5，對下層氮化硅的選擇比大于10，均勻性小于3%，刻蝕后下層介質及Al表面較潔凈，后腐蝕較少，線條清晰完整。

3.2 CH4的側壁保護作用

為檢驗CH4的側壁保護作用，實驗在優化的工藝基礎上，分別采用不含CH4和含CH4的刻蝕氣體刻蝕AlCu合金，刻蝕后在金相顯微鏡下對光刻標記的線寬進行了測量，如圖1和圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，加入CH4氣體，刻蝕后的線條更清晰，橫向刻蝕較少;而采用不含CH4的氣體刻蝕，寬2μm的光刻標記刻蝕后為1.65μm，線寬損失較嚴重?？梢?，加入CH4，起到了較好的側壁保護作用，CH4與CHF3一樣，會與光刻膠生成CH聚合物，刻蝕過程中沉積在圖形側壁上，防止橫向刻蝕進一步進行。

圖1 不加CH4刻蝕后的光刻標記

圖2 加入CH4刻蝕后的光刻標記

3.3 殘留物的去除

AlCu合金刻蝕后的殘留物可能為未刻蝕掉的Cu或揮發性不好的CuCl2，也可能含有用于側壁保護的聚合物，如圖3所示。刻蝕后濕法處理可以去除部分殘留物，如用稀磷酸漂洗，但此法會側向腐蝕Al線條從而影響線寬，同時，濕法清洗容易引入其它污染，如圖4所示。實驗通過調整Al刻蝕工藝，以期在刻蝕過程中去除殘留物，獲得清潔表面。研究發現:①采用較高的射頻功率，可提高刻蝕速率并加強物理刻蝕，有利于Cu的去除;②足夠的過刻時間，能有效去除殘留物，實驗通過光譜終點檢測信號控制主刻蝕時間，過刻時間為主刻蝕時間的40%;③采用較低的氣體壓強或較小的氣體總流量，使生成物很快被抽走，有利于保持表面清潔;④用于側壁保護的氣體少量即可，這樣即保證了活性離子的濃度，又避免在刻蝕時過多地形成聚合物。按以上3點優化刻蝕工藝后，實驗最終獲得了潔凈的表面，如 圖5所示。

4 結束語

Al及其合金的刻蝕是微細加工中最關鍵的工藝之一。采用BCl3、Cl2、N2和CH4刻蝕AlCu合金，實驗研究發現:優化后的工藝刻蝕AlCu合金取得較好的效果，各項參數均達到應用要求;CH4用作鈍化氣體起到較好的側壁保護作用;增大物理刻蝕和保持腔內低壓可去除表面殘留物。

［1］李希有，周衛，張偉，等.Al_Si合金RIE參數選擇［J］.制造技術，2004，29(11):19 －21.

［2］付玉霞，劉志弘，劉榮華，等.鋁RIE刻蝕工藝［J］.半導體情報，2000，37(5):37 －40.

［3］來五星，廖廣蘭，史鐵林，等.反應離子刻蝕加工工藝技術的研究［J］.半導體技術，2006，31(5):414 －416.

［4］W Y Lee，J M Eldridge，G C Schwartz.Reactive Ion Etching.Induced Corrosion of Al and Al － Cu Films［J］.Appl.Phys.，1981(4):2994.

［5］D W Hess.Plasma etch chemistry of aluminum and aluminum alloy films［J］.Plasma Chemistry and Plasma Processing，1982，2(2):141 －155.

［6］王陽元，關旭東，等.集成電路工藝基礎［M］.北京:高等教育出版社，1991.

［7］R Carell，W S Blackley，E E Thompson.Process trends for DPS metal etch－a case study for Al－1%Cu logic devices［C］.IEEE/SEMIAdvanced Semiconductor Manufacturing Conference，1997.

［8］Paul E Riley，Mira Ben － tzur，Rahim Kavari.Composite metal etching for submicron integrated circuits［J］.IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING，1995，8(3):309－312.