铝刻蚀工艺中腐蚀问题的调查和改善

徐云

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（Al Corrosion）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；Al Corrosion；聚合物；Polymer；烘烤；bake；清洗；Clean

中圖分类号：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（Al Corrosion）。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。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（galvanic corrosion）。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（Queue Time），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-box 24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，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-box 24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。经过仔细的研究和思考，作出了如下推测：铝腐蚀的诱因主要来自于前一枚wafer的背面。烘烤的wafer4之所以发生了腐蚀现象，是由于Wafer3没有进行过烘烤。未烘烤的Wafer1没有发生铝腐蚀现象是因为没有前片背面的影响。另外Wafer3是W+ wafer，却反而发生了最为严重的腐蚀。这个结果表明有可能W+条件已经损伤了铝线侧壁钝化层（Al2O3），导致水汽对侧壁的侵入加剧，腐蚀趋于严重。

实验二结论如下：（1）烘烤效果体现在对wafer背面残留F元素的除去；（2）湿法聚合物去除加强（W+）可能会损伤侧壁钝化层，现有条件不应轻易改动。

2.3 实验三

实验三：C/R/wet-box，实验条件设计见表3所示。

通过对实验二的分析，怀疑wafer的背面有可能被湿法工序所污染（单枚式正面湿法处理，Cl累积于Chuck或Fork）。为了证实这一推测，我们在湿法去聚合物工艺步骤后追加正面清洗（Cf）和背面清洗（Cb）选项。为了防止不同实验条件的相互干扰，我们专门在wet-box中给不同条件的wafer之间加了陪片（Dummy Wafer），放置条件如图7所示。

结果发现，参考片Wafer1，2，3 都发生了铝腐蚀，但是由于背面污染的影响，Wafer2，3明显严重于Wafer1。正面清洗（Cf）对于铝腐蚀的防止效果要好于参考片，wafer10～12 优于Wafer1～3。背面清洗（Cb）的效果明显优于正面洗净，wafer7～9优于wafer10～12。背面清洗和正面清洗的组合能够得到最好的防止铝腐蚀效果，见wafer4～6。

实验三结论如：（1）现有工艺流程铝腐蚀的风险主要来自于wafer背面污染；（2）背面清洗效果明显，正面清洗效果一般。

3 结语

至此，综合以上三个实验，我们可以作出如下结论：

（1）选择适当的湿法去除侧壁聚合物条件。聚合物残留过多会引发铝腐蚀的发生，过度去除则可能损伤侧壁钝化层（Al2O3）。（2）在湿法去除侧壁聚合物（Polymer）之后，烘烤步骤可以使残存在铝线侧壁或Wafer表面（背面）上的Cl得以充分地挥发，从而大幅降低铝腐蚀发生的风险。（3）湿法清洗步骤可以将残Cl溶解于水，从而降低铝腐蚀发生的风险。就本工厂而言，由于湿法去除聚合物工艺是单枚正面处理模式，所以背面清洗显得必不可少。

通过以上对铝腐蚀问题的研究和解决，我们掌握了防铝腐蚀的几个关键方法，据此优化了相应的工艺流程。但鉴于不同生产厂的具体情况的差异，解决铝腐蚀还是需要进行详尽实验分析，提出适合各自生产厂的解决方案。

参考文献

[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.