研究并优化等离子体刻蚀工艺去静电步骤对晶片残存电荷的影响

时间:2022-03-13作者:佚名

1.1双层大马士革蚀刻工艺介绍

随着半导体制造技术的发展,工艺节点不断缩减,后段铜互连技术已被广泛应用。众所周知,铜互连技术的结构基础是大马士革结构,大马士革结构的刻蚀在后段工艺中占据了重要的位置。图1所示为双层大马士革刻蚀流程,其刻蚀方式有很多类型,如先刻蚀通孔再刻蚀沟道、先刻蚀沟道再刻蚀通孔和通孔沟道同时刻蚀等。本文以先刻蚀通孔(VIA)再刻蚀沟道(Trench)的刻蚀方式即VIA优先为实验基础【1】【5】,研究并优化了 “VIA等离子体刻蚀”工艺步骤之后,去静电过程中等离子体辅助晶片去静电的工艺步骤。

1.2残余静电在清洗工艺中造成铜损耗

后段等离子体电介质刻蚀之后的清洗工艺,业界常用的一种做法是使用水溶性多组分有机混合物。2014年,刘焕新、王志华等人深入研究了后段等离子体刻蚀的污染和清洗技术,如图1所示,在“局部电介质层去除”步骤之后,通孔与沟道之中残存的硅、碳和铜元素等副产物,可以用清洗工艺中的水溶性多组分有机主体混合物(溶液A)去除【2】【4】。本文在上述基础之上,研究了刻蚀后带有残存电荷的晶片的铜表面在上述溶液A中的电解情况。图2为铜电解示意图,虚线部分是通孔的区域。如图2所示,等离子体刻蚀后铜线表面有部分电荷残存,在后续溶液清洗过程后,会观察到严重的铜损耗。
为进一步验证清洗工艺过程造成铜损耗的原因,在之前实验的基础上,采用另一种清洗溶液(溶液B)(该溶液不易与铜金属发生氧化还原反应,有机物电解液为主体),与上述溶液A对比清洗效果。图3(a)和图(b)分别是溶液A和溶液B清洗工艺后,透射电子显微镜(TEM)对第n层金属和第n 1层金属进行元素分析的结果。比较图(a)和图(b),可以发现图(a)中金属层白色区域(A'处)明显,表明金属层稀疏,即有严重的铜损耗,铜连线有断路的情况【9】。通过大量实验验证,使用溶液B清洗后铜金属层未出现大面积元素稀疏的情况,且因铜损耗造成的产品良率降低也未发生,由此可判断,铜损耗的主要原因是晶片表面有残存电荷,而溶液B不易与铜金属发生氧化还原反应。但因溶液B对硅、碳和铜元素残存物清洗能力较弱,且对金属层两侧电介质层有破坏性的工艺限制(使K值升高),所以无实际应用意义。在满足清洗工艺的前提下,本文通过优化刻蚀后去静电过程,来减少残存电荷,增加刻蚀工艺的可靠性。

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