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

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。