....6μm接触孔刻蚀形貌以提高AlSiCu的填充效果
陈定平 李方华 李明 朱爱兵 张锐
摘 要: 半导体器件制造中会用到ALSI或ALSICU做金属连线,ALSI或ALSICU里一般含有0.5%~1%的Si,目的是防止ALSI互融造成PN junction spiking,但引入Si、金属连线刻蚀后会有硅渣析出,刻开区分布不规则的小黑点,影响表观。比较和分析了目前半导体制造行业几种去硅渣方式的机理和优缺点,同时提出一种新的高效的干法去硅渣方式。在上述分析的基础上,标准化了去硅渣工艺,提出的去硅渣标准流程,对半导体制造具有广泛的指导作用。
关键词: 半导体生产; 金属刻蚀; 干法去硅渣; 湿法去硅渣
中图分类号: TN964?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)04?0098?03
0 引 言
在半导体生产[1]过程中,金属连线[2]一般使用ALSI或ALSICU时掺0.5%~1%的Si,这样可以防止衬底Si与金属AL接触时产生ALSI互融、损伤器件的结。这是掺入Si的好处,但当ALSI或ALSICU干刻或湿刻成线条时,Si粒会在刻开区残留下来,原因是金属干刻(Dry Etch)或湿刻(Wet Etch)时气体或酸液无法与SI彻底反应,刻开区容易留下硅渣残留。
ALSI[3]或ALSICU刻蚀后的硅渣残留,呈小黑点状,分布在圆片表面,非常难看,虽不影响电参数,但也是表观缺陷,需要加以解决。
1 金属干刻、湿刻后的硅渣状况
(1) 非薄场铝栅的金属干刻。不同半导体产品的ALSI或ALSICU下介质层厚度不同,干刻的过刻量也不同,干刻后的硅渣状况也不一样[7]。比如CMOS、BCD、DMOS 、Schottky、IGBT、厚场铝栅等产品[8]的铝下介质层厚,一般在8 kA以上,金属干刻时可加大过刻量(30%左右),增加氧化层损失量,对硅渣釜底抽薪、可扫除硅渣残留(见图1)。所以非薄场铝栅类的金属干刻后无需去硅渣。
加大干刻过刻量后无硅渣
(2) 薄场铝栅的金属干刻。薄场铝栅因为成本低,光刻层数少,铝下介质层(ILD)是生长栅氧时形成,因此铝下介质层(ILD)很薄、最薄500 A左右,金属干刻时过刻量不能大(10%左右)、氧化层损失控制在300 A左右,这样就有少量的硅渣残留下来。所以薄场铝栅的金属干刻后需要去除少量硅渣。如图2所示。
(3) 金属湿刻。Bipolar,DMOS和IGBT等产品由于线条宽,有时候金属连线是全湿刻的,腐蚀ALSI或ALSICU的酸不与SI反应,所以金属湿刻后留下大量的硅渣(见图3)。所以金属湿刻后,需要去除大量的硅渣。
2 目前常用的去硅渣方式
2.1 湿法去硅渣
薄场铝栅的ALSI或ALSICU的氧化层薄,金属干刻不能过刻太多,会留下少量硅渣残留,此时用反应温和的去硅渣液去除最合适,Si反应速率在200 A/min左右, OX反应速率在15 A/min左右,选择比高达14以上。酸液比例大约HAC 10%(W):HNO3 2%(W):H3PO4 71%(W),HBF4 3%(W)室温作业,其对ALSI,ALSICU以及对Si、OX的速率如表1所示。
表1 湿法去硅渣液速率对照表
硝酸先氧化硅渣生成二氧化硅,然后氟硼酸分解的HF与二氧化硅反应,醋酸对PH起缓冲作用。反应式大致为:Si+HNO3+HF→H23SiF6+NO+H2O。
湿法去硅渣反应温和,Si/OX选择比高达14,适合要求氧化层损失要求少的去硅渣工艺。与干法去硅渣比,湿法去硅渣的速率小、去硅渣下氧化层的速率更小,不适合湿刻后硅渣多的状况,硅渣特别多时用湿去硅渣液往往去不净。
2.2 干法去硅渣
金属湿刻时,ALSI或ALSICU里的Si不与酸液反应,金属湿刻后会留下大量的硅渣残留。湿法去硅渣液温和,去硅渣效果差;要去净大量硅渣残留,需用干法去硅渣(Plasma Si Removal),干法去硅渣时Si反应速率是湿法的9倍,可迅速去除去硅渣残留,但Si/OX选择比下降(14降到1.5),氧化层损失会多些,因此不适合薄场铝栅产品。干法去硅渣工艺,要点有两个方面:各向同性或近乎各向同性—这样可以去除高台阶底部的硅渣,满足工艺要求;Si∶OX选择比至少大于1.5,硅渣去净了但氧化层损失不会太大。
目前业界常用Gasonics AE2001、以CF4/O2为主刻气体干法去硅渣,速率、选择比如表2所示。AE2001是用微波电离CF4、O2产生Plasma,然后传送到晶片表面,进行Isotropic Etch,反应式大致为:
3 新开发的干法扫去硅渣
AE2001以CF4/O2为主刻气体干法去硅渣,Si/OX选择比1.5左右,全湿法金属湿刻后AE2001扫100 s可去净硅渣,此时Si Loss 2 900 A左右、OX Loss 1 800 A左右。为减少氧化层损失,在Lam590以SF6为主刻气体实施干法扫硅渣,Si/OX选择比提高到3.2左右,50 s可去净硅渣,此时Si Loss 3 428 A左右、OX Loss 1 035 A左右(见图4,表3)。
SF6的化学活性大,与硅渣的反应速率高、近乎各向同性,与氧化层的反应速率一般,反应式大致为:
SF6+Si?> SiF4+S(易挥发)
Lam590与SF6的组合,去除硅渣残留的速率高1倍以上,Si/OX选择比也高1倍以上,去硅渣效果非常好,效果见图4。
表3 Lam590干法去硅渣速率对照表 A/min
4 结 论
(1) ALSI或ALSICU因掺有0.5~1%的Si,金属湿刻或金属干刻后均会或多或少地存在硅渣残留。
(2) 金属湿刻后会留下大量硅渣,需要用干法去硅渣去除。AE2001(CF4)和Lam590(SF6)均可去硅渣,但后者去硅渣速率和Si/OX选择比均优于前者。
(3) 金属干刻后也会留下硅渣残留,如金属下介质层厚(>8 kA)可增加干刻过刻量(>30%)、增加氧化层损失去除硅渣。如金属下介质层薄(<500 A),干刻过刻量不可过大(10%左右)、然后要用湿法去硅渣液去除硅渣。综上所述,根据不同产品的工艺特征和要求,标准化后的去硅渣工艺如表4所示。
表4 标准化后的去硅渣工艺
5 结 语
本文比较和分析了目前半导体行业几种去硅渣方式的机理和优缺点,并提出了一种新的高效干法去硅渣方式。在分析几种方式的基础上,标准化了去硅渣工艺同时提出硅渣标准化流程。
参考文献
[1] QUIRK Michael, SERDA Julian.半导体制造技术[M].韩郑生,译.北京:电子工业出版社,2009.
[2] 李希有,周卫,张伟,等.Al?Si合金RIE参数选择[J].半导体技术,2004,29(11):19?21.
[3] 龙芋宏,史铁林,熊良才.准分子激光电化学刻蚀金属的研究[J].半导体技术,2008,34(z1):227?230.
[4] 许高斌,皇华,展明浩,等.ICP深硅刻蚀工艺研究[J].真空科学与技术学报,2013,33(8):832?835.
[5] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering, 1997, 33(1/4): 85?100.
[6] 孙伟锋,张波,肖盛安,等.功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望[J].中国科学:信息科学,2012,43(12):1616?1630.
[7] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering, 1997, 33(1/4): 85?100.
摘 要: 半导体器件制造中会用到ALSI或ALSICU做金属连线,ALSI或ALSICU里一般含有0.5%~1%的Si,目的是防止ALSI互融造成PN junction spiking,但引入Si、金属连线刻蚀后会有硅渣析出,刻开区分布不规则的小黑点,影响表观。比较和分析了目前半导体制造行业几种去硅渣方式的机理和优缺点,同时提出一种新的高效的干法去硅渣方式。在上述分析的基础上,标准化了去硅渣工艺,提出的去硅渣标准流程,对半导体制造具有广泛的指导作用。
关键词: 半导体生产; 金属刻蚀; 干法去硅渣; 湿法去硅渣
中图分类号: TN964?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)04?0098?03
0 引 言
在半导体生产[1]过程中,金属连线[2]一般使用ALSI或ALSICU时掺0.5%~1%的Si,这样可以防止衬底Si与金属AL接触时产生ALSI互融、损伤器件的结。这是掺入Si的好处,但当ALSI或ALSICU干刻或湿刻成线条时,Si粒会在刻开区残留下来,原因是金属干刻(Dry Etch)或湿刻(Wet Etch)时气体或酸液无法与SI彻底反应,刻开区容易留下硅渣残留。
ALSI[3]或ALSICU刻蚀后的硅渣残留,呈小黑点状,分布在圆片表面,非常难看,虽不影响电参数,但也是表观缺陷,需要加以解决。
1 金属干刻、湿刻后的硅渣状况
(1) 非薄场铝栅的金属干刻。不同半导体产品的ALSI或ALSICU下介质层厚度不同,干刻的过刻量也不同,干刻后的硅渣状况也不一样[7]。比如CMOS、BCD、DMOS 、Schottky、IGBT、厚场铝栅等产品[8]的铝下介质层厚,一般在8 kA以上,金属干刻时可加大过刻量(30%左右),增加氧化层损失量,对硅渣釜底抽薪、可扫除硅渣残留(见图1)。所以非薄场铝栅类的金属干刻后无需去硅渣。
加大干刻过刻量后无硅渣
(2) 薄场铝栅的金属干刻。薄场铝栅因为成本低,光刻层数少,铝下介质层(ILD)是生长栅氧时形成,因此铝下介质层(ILD)很薄、最薄500 A左右,金属干刻时过刻量不能大(10%左右)、氧化层损失控制在300 A左右,这样就有少量的硅渣残留下来。所以薄场铝栅的金属干刻后需要去除少量硅渣。如图2所示。
(3) 金属湿刻。Bipolar,DMOS和IGBT等产品由于线条宽,有时候金属连线是全湿刻的,腐蚀ALSI或ALSICU的酸不与SI反应,所以金属湿刻后留下大量的硅渣(见图3)。所以金属湿刻后,需要去除大量的硅渣。
2 目前常用的去硅渣方式
2.1 湿法去硅渣
薄场铝栅的ALSI或ALSICU的氧化层薄,金属干刻不能过刻太多,会留下少量硅渣残留,此时用反应温和的去硅渣液去除最合适,Si反应速率在200 A/min左右, OX反应速率在15 A/min左右,选择比高达14以上。酸液比例大约HAC 10%(W):HNO3 2%(W):H3PO4 71%(W),HBF4 3%(W)室温作业,其对ALSI,ALSICU以及对Si、OX的速率如表1所示。
表1 湿法去硅渣液速率对照表
硝酸先氧化硅渣生成二氧化硅,然后氟硼酸分解的HF与二氧化硅反应,醋酸对PH起缓冲作用。反应式大致为:Si+HNO3+HF→H23SiF6+NO+H2O。
湿法去硅渣反应温和,Si/OX选择比高达14,适合要求氧化层损失要求少的去硅渣工艺。与干法去硅渣比,湿法去硅渣的速率小、去硅渣下氧化层的速率更小,不适合湿刻后硅渣多的状况,硅渣特别多时用湿去硅渣液往往去不净。
2.2 干法去硅渣
金属湿刻时,ALSI或ALSICU里的Si不与酸液反应,金属湿刻后会留下大量的硅渣残留。湿法去硅渣液温和,去硅渣效果差;要去净大量硅渣残留,需用干法去硅渣(Plasma Si Removal),干法去硅渣时Si反应速率是湿法的9倍,可迅速去除去硅渣残留,但Si/OX选择比下降(14降到1.5),氧化层损失会多些,因此不适合薄场铝栅产品。干法去硅渣工艺,要点有两个方面:各向同性或近乎各向同性—这样可以去除高台阶底部的硅渣,满足工艺要求;Si∶OX选择比至少大于1.5,硅渣去净了但氧化层损失不会太大。
目前业界常用Gasonics AE2001、以CF4/O2为主刻气体干法去硅渣,速率、选择比如表2所示。AE2001是用微波电离CF4、O2产生Plasma,然后传送到晶片表面,进行Isotropic Etch,反应式大致为:
3 新开发的干法扫去硅渣
AE2001以CF4/O2为主刻气体干法去硅渣,Si/OX选择比1.5左右,全湿法金属湿刻后AE2001扫100 s可去净硅渣,此时Si Loss 2 900 A左右、OX Loss 1 800 A左右。为减少氧化层损失,在Lam590以SF6为主刻气体实施干法扫硅渣,Si/OX选择比提高到3.2左右,50 s可去净硅渣,此时Si Loss 3 428 A左右、OX Loss 1 035 A左右(见图4,表3)。
SF6的化学活性大,与硅渣的反应速率高、近乎各向同性,与氧化层的反应速率一般,反应式大致为:
SF6+Si?> SiF4+S(易挥发)
Lam590与SF6的组合,去除硅渣残留的速率高1倍以上,Si/OX选择比也高1倍以上,去硅渣效果非常好,效果见图4。
表3 Lam590干法去硅渣速率对照表 A/min
4 结 论
(1) ALSI或ALSICU因掺有0.5~1%的Si,金属湿刻或金属干刻后均会或多或少地存在硅渣残留。
(2) 金属湿刻后会留下大量硅渣,需要用干法去硅渣去除。AE2001(CF4)和Lam590(SF6)均可去硅渣,但后者去硅渣速率和Si/OX选择比均优于前者。
(3) 金属干刻后也会留下硅渣残留,如金属下介质层厚(>8 kA)可增加干刻过刻量(>30%)、增加氧化层损失去除硅渣。如金属下介质层薄(<500 A),干刻过刻量不可过大(10%左右)、然后要用湿法去硅渣液去除硅渣。综上所述,根据不同产品的工艺特征和要求,标准化后的去硅渣工艺如表4所示。
表4 标准化后的去硅渣工艺
5 结 语
本文比较和分析了目前半导体行业几种去硅渣方式的机理和优缺点,并提出了一种新的高效干法去硅渣方式。在分析几种方式的基础上,标准化了去硅渣工艺同时提出硅渣标准化流程。
参考文献
[1] QUIRK Michael, SERDA Julian.半导体制造技术[M].韩郑生,译.北京:电子工业出版社,2009.
[2] 李希有,周卫,张伟,等.Al?Si合金RIE参数选择[J].半导体技术,2004,29(11):19?21.
[3] 龙芋宏,史铁林,熊良才.准分子激光电化学刻蚀金属的研究[J].半导体技术,2008,34(z1):227?230.
[4] 许高斌,皇华,展明浩,等.ICP深硅刻蚀工艺研究[J].真空科学与技术学报,2013,33(8):832?835.
[5] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering, 1997, 33(1/4): 85?100.
[6] 孙伟锋,张波,肖盛安,等.功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望[J].中国科学:信息科学,2012,43(12):1616?1630.
[7] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering, 1997, 33(1/4): 85?100.
摘 要: 半导体器件制造中会用到ALSI或ALSICU做金属连线,ALSI或ALSICU里一般含有0.5%~1%的Si,目的是防止ALSI互融造成PN junction spiking,但引入Si、金属连线刻蚀后会有硅渣析出,刻开区分布不规则的小黑点,影响表观。比较和分析了目前半导体制造行业几种去硅渣方式的机理和优缺点,同时提出一种新的高效的干法去硅渣方式。在上述分析的基础上,标准化了去硅渣工艺,提出的去硅渣标准流程,对半导体制造具有广泛的指导作用。
关键词: 半导体生产; 金属刻蚀; 干法去硅渣; 湿法去硅渣
中图分类号: TN964?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)04?0098?03
0 引 言
在半导体生产[1]过程中,金属连线[2]一般使用ALSI或ALSICU时掺0.5%~1%的Si,这样可以防止衬底Si与金属AL接触时产生ALSI互融、损伤器件的结。这是掺入Si的好处,但当ALSI或ALSICU干刻或湿刻成线条时,Si粒会在刻开区残留下来,原因是金属干刻(Dry Etch)或湿刻(Wet Etch)时气体或酸液无法与SI彻底反应,刻开区容易留下硅渣残留。
ALSI[3]或ALSICU刻蚀后的硅渣残留,呈小黑点状,分布在圆片表面,非常难看,虽不影响电参数,但也是表观缺陷,需要加以解决。
1 金属干刻、湿刻后的硅渣状况
(1) 非薄场铝栅的金属干刻。不同半导体产品的ALSI或ALSICU下介质层厚度不同,干刻的过刻量也不同,干刻后的硅渣状况也不一样[7]。比如CMOS、BCD、DMOS 、Schottky、IGBT、厚场铝栅等产品[8]的铝下介质层厚,一般在8 kA以上,金属干刻时可加大过刻量(30%左右),增加氧化层损失量,对硅渣釜底抽薪、可扫除硅渣残留(见图1)。所以非薄场铝栅类的金属干刻后无需去硅渣。
加大干刻过刻量后无硅渣
(2) 薄场铝栅的金属干刻。薄场铝栅因为成本低,光刻层数少,铝下介质层(ILD)是生长栅氧时形成,因此铝下介质层(ILD)很薄、最薄500 A左右,金属干刻时过刻量不能大(10%左右)、氧化层损失控制在300 A左右,这样就有少量的硅渣残留下来。所以薄场铝栅的金属干刻后需要去除少量硅渣。如图2所示。
(3) 金属湿刻。Bipolar,DMOS和IGBT等产品由于线条宽,有时候金属连线是全湿刻的,腐蚀ALSI或ALSICU的酸不与SI反应,所以金属湿刻后留下大量的硅渣(见图3)。所以金属湿刻后,需要去除大量的硅渣。
2 目前常用的去硅渣方式
2.1 湿法去硅渣
薄场铝栅的ALSI或ALSICU的氧化层薄,金属干刻不能过刻太多,会留下少量硅渣残留,此时用反应温和的去硅渣液去除最合适,Si反应速率在200 A/min左右, OX反应速率在15 A/min左右,选择比高达14以上。酸液比例大约HAC 10%(W):HNO3 2%(W):H3PO4 71%(W),HBF4 3%(W)室温作业,其对ALSI,ALSICU以及对Si、OX的速率如表1所示。
表1 湿法去硅渣液速率对照表
硝酸先氧化硅渣生成二氧化硅,然后氟硼酸分解的HF与二氧化硅反应,醋酸对PH起缓冲作用。反应式大致为:Si+HNO3+HF→H23SiF6+NO+H2O。
湿法去硅渣反应温和,Si/OX选择比高达14,适合要求氧化层损失要求少的去硅渣工艺。与干法去硅渣比,湿法去硅渣的速率小、去硅渣下氧化层的速率更小,不适合湿刻后硅渣多的状况,硅渣特别多时用湿去硅渣液往往去不净。
2.2 干法去硅渣
金属湿刻时,ALSI或ALSICU里的Si不与酸液反应,金属湿刻后会留下大量的硅渣残留。湿法去硅渣液温和,去硅渣效果差;要去净大量硅渣残留,需用干法去硅渣(Plasma Si Removal),干法去硅渣时Si反应速率是湿法的9倍,可迅速去除去硅渣残留,但Si/OX选择比下降(14降到1.5),氧化层损失会多些,因此不适合薄场铝栅产品。干法去硅渣工艺,要点有两个方面:各向同性或近乎各向同性—这样可以去除高台阶底部的硅渣,满足工艺要求;Si∶OX选择比至少大于1.5,硅渣去净了但氧化层损失不会太大。
目前业界常用Gasonics AE2001、以CF4/O2为主刻气体干法去硅渣,速率、选择比如表2所示。AE2001是用微波电离CF4、O2产生Plasma,然后传送到晶片表面,进行Isotropic Etch,反应式大致为:
3 新开发的干法扫去硅渣
AE2001以CF4/O2为主刻气体干法去硅渣,Si/OX选择比1.5左右,全湿法金属湿刻后AE2001扫100 s可去净硅渣,此时Si Loss 2 900 A左右、OX Loss 1 800 A左右。为减少氧化层损失,在Lam590以SF6为主刻气体实施干法扫硅渣,Si/OX选择比提高到3.2左右,50 s可去净硅渣,此时Si Loss 3 428 A左右、OX Loss 1 035 A左右(见图4,表3)。
SF6的化学活性大,与硅渣的反应速率高、近乎各向同性,与氧化层的反应速率一般,反应式大致为:
SF6+Si?> SiF4+S(易挥发)
Lam590与SF6的组合,去除硅渣残留的速率高1倍以上,Si/OX选择比也高1倍以上,去硅渣效果非常好,效果见图4。
表3 Lam590干法去硅渣速率对照表 A/min
4 结 论
(1) ALSI或ALSICU因掺有0.5~1%的Si,金属湿刻或金属干刻后均会或多或少地存在硅渣残留。
(2) 金属湿刻后会留下大量硅渣,需要用干法去硅渣去除。AE2001(CF4)和Lam590(SF6)均可去硅渣,但后者去硅渣速率和Si/OX选择比均优于前者。
(3) 金属干刻后也会留下硅渣残留,如金属下介质层厚(>8 kA)可增加干刻过刻量(>30%)、增加氧化层损失去除硅渣。如金属下介质层薄(<500 A),干刻过刻量不可过大(10%左右)、然后要用湿法去硅渣液去除硅渣。综上所述,根据不同产品的工艺特征和要求,标准化后的去硅渣工艺如表4所示。
表4 标准化后的去硅渣工艺
5 结 语
本文比较和分析了目前半导体行业几种去硅渣方式的机理和优缺点,并提出了一种新的高效干法去硅渣方式。在分析几种方式的基础上,标准化了去硅渣工艺同时提出硅渣标准化流程。
参考文献
[1] QUIRK Michael, SERDA Julian.半导体制造技术[M].韩郑生,译.北京:电子工业出版社,2009.
[2] 李希有,周卫,张伟,等.Al?Si合金RIE参数选择[J].半导体技术,2004,29(11):19?21.
[3] 龙芋宏,史铁林,熊良才.准分子激光电化学刻蚀金属的研究[J].半导体技术,2008,34(z1):227?230.
[4] 许高斌,皇华,展明浩,等.ICP深硅刻蚀工艺研究[J].真空科学与技术学报,2013,33(8):832?835.
[5] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering, 1997, 33(1/4): 85?100.
[6] 孙伟锋,张波,肖盛安,等.功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望[J].中国科学:信息科学,2012,43(12):1616?1630.
[7] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering, 1997, 33(1/4): 85?100.