AlCu合金的反应离子刻蚀工艺研究

苟 君，吴志明，太惠玲，袁 凯

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都610054)

1 引言

由于Al及其合金具有较高的导电率、较好的对下层衬底或介质的粘附性、良好的延展性等优点而被广泛地用作半导体器件及VLSI的互连金属［1－2］。因此，Al及其合金的刻蚀是微细加工中的关键工艺之一。目前，多数工艺线采用反应离子刻蚀技术对Al及其合金进行干法刻蚀，它是一种物理和化学作用相结合的刻蚀技术［3］。刻蚀AlCu合金一般采用氯基刻蚀剂，如 BCl3，Cl2，CCl4，SiCl4，HCl 等［1］。BCl3在AlCu的反应离子刻蚀中是必要的，因为铝表面一般有一层氧化物，氯不能刻蚀这层表面，须添加BCl3增加溅射量去除。同时Cu的生成物挥发性很差，增大 BCl3的轰击有利于 Cu的去除［4－5］。但BCl3分解度较低，刻蚀Al的速率较慢，所以通常与Cl2一起混合使用。通常，还在刻蚀气体中加入一定量的中性气体用于减少侧向刻蚀，经常使用的有N2、CHF3、C2H4等，N2与侧壁 Al 生成 AlxNy［2］，CHF3等与光刻胶反应生成聚合物沉积在侧壁上，防止横向腐蚀的进一步进行。

微细加工中的图形非常精细，要求刻蚀时要洁净，避免由于刻蚀反应引入沾污，并最大限度地避免刻蚀后残留物的出现［6］。但刻蚀后表面出现残留物是AlCu合金刻蚀中经常遇到的问题，这可能影响器件的性能和成品率。因此，刻蚀获得清洁表面或刻蚀后残留物的去除是AlCu合金刻蚀的关键之一。

实验中采用BCl3、Cl2和N2刻蚀AlCu合金，并加入少量文献中较少报道的CH4气体用于形成聚合物以保护侧壁。通过实验对工艺参数进行优化，分析了CH4的侧壁保护作用，并重点研究了刻蚀残留物的去除，最终实现细线条Al的刻蚀。

2 刻蚀设备与工艺

刻蚀设备为德国FHR公司生产的RIE 150×4。刻蚀过程中，为帮助生成物挥发，腔体温度设置为57℃。此外，基片温度设为3℃。

采用BCl3和Cl2刻蚀Al合金，并在刻蚀气体中加入N2和CH4。其中N2除保护侧壁外，还是轰击气体，也可以稀释刻蚀剂，起到调节刻蚀速率和提高均匀性的作用。但实验中发现N2的加入会使得生成的侧壁聚合物变得疏松，如果不进行后处理工艺，则聚合物会掉落，造成漏电现象，故N2流量不能太大。加入CH4主要用于形成聚合物以保护侧壁。

结合Al合金刻蚀的特殊性，刻蚀分四步进行:第一步主要用到BCl3，用来去除铝膜表面的氧化层;第二步为主蚀刻，Cl2在刻蚀中起主要作用;第三步为过刻蚀;第四部用CF4处理，以F置换Cl离子，抑制后腐蚀的发生。

3 实验结果与讨论

3.1 刻蚀工艺优化

实验中改变各工艺参数，发现各工艺参数对刻蚀的影响大致如表1所示。

表1 各工艺参数对刻蚀的影响

其中:↑表示增大;↓表示减小;↑↑表示急剧增大。

对比各参数的影响，实验最终确定主刻蚀阶段功率200W，气压4Pa，气体配比为BCl3∶Cl2∶N2∶CH4=4∶4∶1∶1。主刻蚀前增大BCl3的物理轰击，以去除氧化物。过刻蚀时同样增大物理轰击，以去除Cu残留物，因为Cu主要附集于Al合金底部与下层衬底的界面处［7－8］，刻蚀结束后在较低功率较高气压下采用CF4等离子体处理以F置换Cl离子，减少后腐蚀。采用此工艺刻蚀后取得了较好的效果，刻蚀速率为80nm/min，对光刻胶选择比大于5，对下层氮化硅的选择比大于10，均匀性小于3%，刻蚀后下层介质及Al表面较洁净，后腐蚀较少，线条清晰完整。

3.2 CH4的侧壁保护作用

为检验CH4的侧壁保护作用，实验在优化的工艺基础上，分别采用不含CH4和含CH4的刻蚀气体刻蚀AlCu合金，刻蚀后在金相显微镜下对光刻标记的线宽进行了测量，如图1和图2所示。

从图1、图2可以看出，加入CH4气体，刻蚀后的线条更清晰，横向刻蚀较少;而采用不含CH4的气体刻蚀，宽2μm的光刻标记刻蚀后为1.65μm，线宽损失较严重。可见，加入CH4，起到了较好的侧壁保护作用，CH4与CHF3一样，会与光刻胶生成CH聚合物，刻蚀过程中沉积在图形侧壁上，防止横向刻蚀进一步进行。

图1 不加CH4刻蚀后的光刻标记

图2 加入CH4刻蚀后的光刻标记

3.3 残留物的去除

AlCu合金刻蚀后的残留物可能为未刻蚀掉的Cu或挥发性不好的CuCl2，也可能含有用于侧壁保护的聚合物，如图3所示。刻蚀后湿法处理可以去除部分残留物，如用稀磷酸漂洗，但此法会侧向腐蚀Al线条从而影响线宽，同时，湿法清洗容易引入其它污染，如图4所示。实验通过调整Al刻蚀工艺，以期在刻蚀过程中去除残留物，获得清洁表面。研究发现:①采用较高的射频功率，可提高刻蚀速率并加强物理刻蚀，有利于Cu的去除;②足够的过刻时间，能有效去除残留物，实验通过光谱终点检测信号控制主刻蚀时间，过刻时间为主刻蚀时间的40%;③采用较低的气体压强或较小的气体总流量，使生成物很快被抽走，有利于保持表面清洁;④用于侧壁保护的气体少量即可，这样即保证了活性离子的浓度，又避免在刻蚀时过多地形成聚合物。按以上3点优化刻蚀工艺后，实验最终获得了洁净的表面，如 图5所示。

4 结束语

Al及其合金的刻蚀是微细加工中最关键的工艺之一。采用BCl3、Cl2、N2和CH4刻蚀AlCu合金，实验研究发现:优化后的工艺刻蚀AlCu合金取得较好的效果，各项参数均达到应用要求;CH4用作钝化气体起到较好的侧壁保护作用;增大物理刻蚀和保持腔内低压可去除表面残留物。

［1］李希有，周卫，张伟，等.Al_Si合金RIE参数选择［J］.制造技术，2004，29(11):19 －21.

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