半導(dǎo)體工藝干法刻蝕鋁刻蝕

1、干法刻蝕之鋁刻蝕在集成電路的制造過程中，刻蝕就是利用化學(xué)或物理方法有選擇性地從硅片表面去除不需要的材料的過程。從工藝上區(qū)分，刻蝕可以分為濕法刻蝕和干法刻蝕。前者的主要特點(diǎn)是各向同性刻蝕；后者是利用等離子體來進(jìn)行各向異性刻蝕，可以嚴(yán)格控制縱向和橫向 刻蝕。干法的各向異性刻蝕，可以用表面損傷和側(cè)壁鈍化兩種機(jī)制來解釋。表面損傷機(jī)制是指，與硅片平行的待刻蝕物質(zhì)的圖形底部，表面的原子鍵被破壞，擴(kuò)散至此的自由基很容易與其發(fā)生反應(yīng)，使得這個(gè)方向的刻蝕得以持續(xù)進(jìn)行。與硅片垂直的圖形側(cè)壁則因?yàn)楸砻嬖渔I完整，從而形態(tài)得到保護(hù)。側(cè)壁鈍化機(jī)制是指，刻蝕反應(yīng)產(chǎn)生的非揮發(fā)性的副產(chǎn)物，光刻膠刻蝕產(chǎn)生的聚合物，以及側(cè)壁表面

2、的氧化物或氮化物會(huì)在待刻蝕物質(zhì)表面形成鈍化層。圖形底部受到離子的轟擊，鈍化層會(huì)被擊穿，露出里面的待刻蝕物質(zhì)繼續(xù)反應(yīng)， 而圖形側(cè)壁鈍化層受到較少的離子轟擊，阻止了這個(gè)方向刻蝕的進(jìn)一步進(jìn)行。在半導(dǎo)體干法刻蝕工藝中，根據(jù)待刻蝕材料的不同，可分為金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕和硅刻蝕。金屬刻蝕又可以分為金屬鋁刻蝕、金屬鎢刻蝕和氮化鈦刻蝕等。目前，金屬鋁作為連線材料，仍然廣泛用于 dram 和 flash 等存儲(chǔ)器，以及 0.13um 以上的邏輯產(chǎn)品中。 本文著重介紹金屬鋁的刻蝕工藝。金屬鋁刻蝕通常用到以下氣體：cl2、bcl3、ar、 n2、chf3 和 c2h4 等。cl2 作為主要的刻蝕氣體，與鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

3、，生成的可揮發(fā)的副產(chǎn)物 alcl3 被氣流帶出反應(yīng)腔。bcl3 一方面提供 bcl3，垂直轟擊硅片表面，達(dá)到各向異性的刻蝕。另一方面，由于鋁表面極易氧化成氧化鋁，這層自生氧化鋁在刻蝕的初期阻隔了 cl2 和鋁的接觸，阻礙了刻蝕的進(jìn)一步進(jìn)行。添加 bcl3 則利于將這層氧化層還原（如方程式 1），促進(jìn)刻蝕過程的繼續(xù) 進(jìn)行。al2o3 + 3bcl3 2alcl3 + 3bocl （1）ar 電離生成 ar，主要是對(duì)硅片表面提供物理性的垂直轟擊。 n2、chf3 和 c2h4是主要的鈍化氣體，n2 與金屬側(cè)壁氮化產(chǎn)生的 alxny，chf3 和 c2h4 與光刻膠反應(yīng)生成的 聚合物會(huì)沉積在金屬側(cè)壁

4、，形成阻止進(jìn)一步反應(yīng)的鈍化層。一般來說，反應(yīng)腔的工藝壓力控制在 6-14 毫托。壓力越高，在反應(yīng)腔中的 cl2 濃度越高，刻蝕速率越快。壓力越低，分子和離子的碰撞越少，平均自由程增加，離子轟擊 圖形底部的能力增強(qiáng)，這樣刻蝕反應(yīng)速率不會(huì)降低甚至于停止于圖形的底部。目前金屬刻蝕機(jī)臺(tái)廣泛采用雙射頻功率源設(shè)計(jì)，如應(yīng)用材料公司 dps（decoupleplasma source）金屬刻蝕機(jī)臺(tái)。偏置功率用來加速正離子，提供垂直的物理轟擊，源功率用來提高反應(yīng)腔體內(nèi)的等離子體的濃度。這種雙功率的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)離子體的能量和濃 度的獨(dú)立控制，擴(kuò)大了刻蝕工藝的工藝窗口和性能。在金屬鋁的上下通常會(huì)淀積金屬鈦或氮化鈦

5、，形成氮化鈦 /鋁/氮化鈦 /鈦的結(jié)構(gòu)。用來刻蝕鋁的 cl2 與鈦反應(yīng)生成揮發(fā)性相對(duì)較低的 ticl4，刻蝕氮化鈦的速率只有刻蝕鋁的 1/3-1/4,因此減少 cl2 或是增加 bcl3 和偏置功率，都有利于提高氮化鈦和鈦的刻蝕速 率。在金屬鋁中通常會(huì)加入少量的硅和銅來提高電子器件的可靠性。硅和 cl 反應(yīng)生成揮發(fā)性的 sicl4，很容易被帶出反應(yīng)腔。銅與 cl 反應(yīng)生成的 cucl2 揮發(fā)性卻不高，因此需要加大物理性的離子轟擊把銅原子去掉，一般可以通過加大 ar 和增加偏置功率來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)鋁刻蝕完成之后，硅片表面、圖形側(cè)壁和光刻膠表面殘留的 cl，會(huì)和鋁反應(yīng)生成 alcl3， 繼而與空氣中的水分發(fā)生自循環(huán)反應(yīng)（如方程式 2），