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。前者的主要特點是各向同性刻蝕；后者是利用等離子體來進行各向異性刻蝕，可以嚴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)壁鈍化兩種機制來解釋。表面損傷機制是指，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，擴散至此的自由基很容易與其發(fā)生反應(yīng)，使得這個方向的刻蝕得以持續(xù)進行。與硅片垂直的圖形側(cè)壁則因為表面原子鍵完整，從而形態(tài)得到保護。側(cè)壁鈍化機制是指，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)壁表面的氧化物或氮化物會在待刻蝕物質(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，阻止了這個方向刻蝕的進一步進行。

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)，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，阻礙了刻蝕的進一步進行。添加BCl3?則利于將這層氧化層還原（如方程式1），促進刻蝕過程的繼續(xù)進行。

Al2O3?+?3BCl3→?2AlCl3?+?3BOCl?（1）??

Ar電離生成Ar＋，主要是對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)生成的聚合物會沉積在金屬側(cè)壁，形成阻止進一步反應(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，這樣刻蝕反應(yīng)速率不會降低甚至于停止于圖形的底部。?

目前金屬刻蝕機臺廣泛采用雙射頻功率源設(shè)計，如應(yīng)用材料公司

DPS（decouple?plasma?source）金屬刻蝕機臺。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)計可以實現(xiàn)對離子體的能量和濃度的獨立控制，擴大了刻蝕工藝的工藝窗口和性能。?

在金屬鋁的上下通常會淀積金屬鈦或氮化鈦，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），造成對鋁的嚴重侵蝕（corrosion）。因此，在刻蝕工藝完成后，一般會用H2O和O2的等離子體把氯和光刻膠去除,?并且在鋁表面形成氧化鋁來保護鋁。

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