鋁刻蝕工藝中腐蝕問題的調查和改善

徐云

摘 要：鋁作為金屬互連材料，在90納米以上工藝中還將長期存在。鋁腐蝕問題（Al Corrosion）是鋁線工藝的一種主要缺陷。適當的工藝條件組合和制程的管控，并不能完全杜絕鋁腐蝕問題的發生。本文通過精心的實驗設計，完整的實驗數據分析，確認了本生產線鋁腐蝕問題發生原因的一般共性和特殊之處。驗證了烘烤步驟和清洗步驟的效果，發現并指出了背面清洗的重要性?？傊X腐蝕問題的解決之道需要結合不同生產線的具體情況，進行具體的實驗分析，提出適合各自生產廠的防止方案。

關鍵詞：鋁腐蝕；Al Corrosion；聚合物；Polymer；烘烤；bake；清洗；Clean

中圖分類號：TN405.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0074-02

鋁作為半導體芯片的主要金屬互連材料，迄今仍然在90納米以上工藝中得到很好的應用。鋁線刻蝕工藝中最讓人頭痛的是鋁腐蝕問題（Al Corrosion）。由鋁腐蝕而導致的廢片往往給芯片制造廠帶來驚人的損失。因此，防范鋁腐蝕的發生，一直是集成工程師極為重要的任務。本文是一項鋁腐蝕改善課題的結論性報告。

1 鋁腐蝕機理

為了解決鋁腐蝕的問題，我們必須對鋁腐蝕的機理作必要的認識。金屬鋁干法刻蝕通常用到以下特殊氣體：Cl2、BCl3、CHF3和CF4等。BCl3在刻蝕初始分解表面自然氧化層Al2O3；主刻蝕氣體Cl2與鋁發生化學反應，生成可揮發的AlCl3；CHF3是主要的鈍化氣體，與光刻膠反應生成的聚合物（Polymer）會沉積在光刻膠和鋁線側壁，保護鋁線側壁不被橫向刻蝕；而CF4中 F可以用來置換光刻膠和側壁聚合物中吸收的Cl[1]。當鋁刻蝕完成后，在去膠之前，光刻膠、側壁聚合物、硅片表面殘留的Cl和AlCl3會和空氣中的水分發生自循環反應[2]。這種反應在Al-Cu合金中將更加劇烈（galvanic corrosion）。為了解決這一問題，現代制造工藝將鋁刻蝕和去膠工藝做成同場作業（In-situ）模式（因為Cl/AlCl3主要吸附于光刻膠中），直接在準真空環境下去除富含Cl元素的光刻膠，這樣就極大地降低了鋁腐蝕發生的風險。但是刻蝕同場去膠只能去除光刻膠，而無法去除鋁線和光刻膠側壁的聚合物（Polymer），所以在鋁刻蝕后需要追加一步濕法化學去聚合物的工序。

2 實驗和分析

在生產過程中，我們發現，即使我們嚴格控制了工序之間的等待時間（Queue Time），但是鋁腐蝕的問題還是經常發生。這要求我們進一步改善現有的工藝和流程，以降低鋁腐蝕發生的風險。

2.1 實驗一

實驗一：D/W/B組合。實驗條件設計見表1所示。

其中：（1）D表示干法鋁刻蝕現狀條件，D+表示通過干法刻蝕條件的改變，增大聚合物的產生量。（2）W表示濕法去Polymer現狀條件，W+表示加強去聚合物能力；W-表示降低去聚合物的能力。（3）B表示追加額外的烘烤步驟。

在大氣狀態放置前后分別進行自動外觀檢，并通過鋁腐蝕的缺陷個數來評價條件的優劣。通過對斷面SEM的觀察，發現增加聚合物產生量的目的得到實現，見圖1和圖2的比較。此時光刻膠已經被去除，只留下側壁聚合物。增大聚合物條件D+疊加W-條件的SEM觀察結果也達到了我們的實驗設計目的，見圖3和圖4的比較。比較可以看出，圖4的聚物殘留比圖3的要多。通過自動外觀檢查，D+W-條件的wafer在大氣環境下發生了鋁腐蝕，聚合物增加D-疊加W-的wafer（wafer6）KLA自動外觀檢結果如圖5所示。

實驗一結論如下：（1）濕法聚合物去除不足（W-），就有發生鋁腐蝕的風險。見Wafer6；（2）濕法聚合物去除之后，追加烘烤，可以增強抗鋁腐蝕的能力，見wafer7。

2.2 實驗二

由實驗一可知，側壁聚合物的去除程度的確會影響到腐蝕的發生。但是實驗一的鋁腐蝕程度非常輕微，未能很好的反映出各個實驗條件的差異。所以我們又設計了實驗二，專注于濕法工藝（W）和烘烤步驟（B），并且用wet-box 24小時放置進行加速腐蝕，以利于實驗結果的放大和比較。實驗二：W/B/wet-box，實驗條件設計見表2所示。

其中：（1）W表示濕法去Polymer現狀條件，W+表示加強去聚合物能力；（2）B表示追加額外的烘烤步驟。不同的+的個數表示烘烤時間的長短。

所有實驗wafer在大氣環境中放置一天和三天，都沒有觀察到鋁腐蝕的發生。按計劃追加了wet-box 24小時放置實驗，放置條件如圖6所示。

經過24小時wet-box放置，Wafer2，3，4發生了嚴重的鋁腐蝕，Wafer5有輕微的發生。其他wafer沒有發生鋁腐蝕。同樣條件的wafer1和wafer2，Wafer4和wafer5，結果卻是差異巨大。讓我們對烘烤的效果產生了懷疑。經過仔細的研究和思考，作出了如下推測：鋁腐蝕的誘因主要來自于前一枚wafer的背面。烘烤的wafer4之所以發生了腐蝕現象，是由于Wafer3沒有進行過烘烤。未烘烤的Wafer1沒有發生鋁腐蝕現象是因為沒有前片背面的影響。另外Wafer3是W+ wafer，卻反而發生了最為嚴重的腐蝕。這個結果表明有可能W+條件已經損傷了鋁線側壁鈍化層（Al2O3），導致水汽對側壁的侵入加劇，腐蝕趨于嚴重。

實驗二結論如下：（1）烘烤效果體現在對wafer背面殘留F元素的除去；（2）濕法聚合物去除加強（W+）可能會損傷側壁鈍化層，現有條件不應輕易改動。

2.3 實驗三

實驗三：C/R/wet-box，實驗條件設計見表3所示。

通過對實驗二的分析，懷疑wafer的背面有可能被濕法工序所污染（單枚式正面濕法處理，Cl累積于Chuck或Fork）。為了證實這一推測，我們在濕法去聚合物工藝步驟后追加正面清洗（Cf）和背面清洗（Cb）選項。為了防止不同實驗條件的相互干擾，我們專門在wet-box中給不同條件的wafer之間加了陪片（Dummy Wafer），放置條件如圖7所示。

結果發現，參考片Wafer1，2，3 都發生了鋁腐蝕，但是由于背面污染的影響，Wafer2，3明顯嚴重于Wafer1。正面清洗（Cf）對于鋁腐蝕的防止效果要好于參考片，wafer10～12 優于Wafer1～3。背面清洗（Cb）的效果明顯優于正面洗凈，wafer7～9優于wafer10～12。背面清洗和正面清洗的組合能夠得到最好的防止鋁腐蝕效果，見wafer4～6。

實驗三結論如：（1）現有工藝流程鋁腐蝕的風險主要來自于wafer背面污染；（2）背面清洗效果明顯，正面清洗效果一般。

3 結語

至此，綜合以上三個實驗，我們可以作出如下結論：

（1）選擇適當的濕法去除側壁聚合物條件。聚合物殘留過多會引發鋁腐蝕的發生，過度去除則可能損傷側壁鈍化層（Al2O3）。（2）在濕法去除側壁聚合物（Polymer）之后，烘烤步驟可以使殘存在鋁線側壁或Wafer表面（背面）上的Cl得以充分地揮發，從而大幅降低鋁腐蝕發生的風險。（3）濕法清洗步驟可以將殘Cl溶解于水，從而降低鋁腐蝕發生的風險。就本工廠而言，由于濕法去除聚合物工藝是單枚正面處理模式，所以背面清洗顯得必不可少。

通過以上對鋁腐蝕問題的研究和解決，我們掌握了防鋁腐蝕的幾個關鍵方法，據此優化了相應的工藝流程。但鑒于不同生產廠的具體情況的差異，解決鋁腐蝕還是需要進行詳盡實驗分析，提出適合各自生產廠的解決方案。

參考文獻

[1]D.W.Hess and R.H.Bruce，“Plasma Assisted Etching of Al and Al Alloys”，in Dry Etching for Microelectronics，Ed.R.A.Powell，North Holland Publishing Co.，1984.

[2]Richard N.Tauber， SILICON PROCESSING FOR THE VLSI ERA VOLUME1：563.