CN116403899A - 一种基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法，包括如下步骤：提供一种带有Si3N4和光刻胶双层掩蔽膜的铝膜衬垫，在玻璃基板形成所述铝膜衬垫；采用感应耦合等离子刻蚀机对铝衬底进行两次连续干法刻蚀，刻蚀腔体通入Cl2、BCl3、CH4气体，刻蚀过程中，含氯气体刻蚀铝衬底发生反应，生成AlCl3挥发性高，BCl3能提供一定的物理轰击去除铝衬垫表面的氧化物，CH4在铝衬垫侧壁形成保护层抑制侧向刻蚀，隔绝氯离子与铝衬垫发生反应，并通过抽气设备排出反应腔体内大部分的AlCl3气体；向刻蚀腔体通入O2，利用辉光放电的方式产生O2的等离子体，去除腔体内残余的AlCl3，生成Al2O3和Cl2，再将Cl2排出，完成脱Cl处理；采用烘烤设备，增加光刻胶中氯残留的挥发；采用去离子水冲洗铝衬垫表面残余聚合物，本发明能在尽量避免干法刻蚀过程中铝衬垫腐蚀的问题，同时快速、有效地完成晶圆基底上铝衬垫的刻蚀步骤。

Description

一种基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法
技术领域
本申请属于半导体集成电路技术领域，具体涉及一种基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法。
背景技术
在半导体集成电路中，铝的电阻率低(为2.85×10-8Ω.cm)，金属铝布线能够承受高电压和大电流，从最早的半导体芯片一直沿用至今。铝材料延展性较好，容易成膜且刻蚀容易控制，因此，金属铝常用作元件的主要导电材料，并被广泛使用。在半导体工艺中，金属铝刻蚀是不可或缺的环节之一，金属铝刻蚀工艺中存在铝图案残留和铝衬底腐蚀的缺陷，铝图案残留与干法刻蚀反应腔体的洁净程度有关，危害程度较低，当残留的颗粒没有造成相邻的铝线金属互连，将不会影响良率。相比而言，铝衬底腐蚀造成的危害严重很多，也是铝金属刻蚀过程中首要解决的缺陷问题，当铝金属遭到腐蚀，并且接触到空气中的水汽，水汽作为铝腐蚀的媒介，腐蚀反应会一直进行，最终把铝线完全腐蚀，如图5所示。这是非常严重的问题，最坏的情况会引起产品报废。
一种已有技术是：现有技术在晶圆基底上制作衬垫时，通常会在铝膜层上淀积介质层，刻蚀金属铝是通入氯气(Cl2)和三氯化硼(BCl3)气体进行刻蚀介质层以暴露铝膜层，氯和铝反应的生成物AlCl3挥发，容易有氯离子和没有被抽气设备排出的AlCl3，残留在铝衬垫上若未及时处理，与空气中的水分子发生反应，生成Al(OH)3和HCl，HCl会Al发生反应，氯离子的对铝腐蚀是不断反复进行，铝衬底不断腐蚀，甚至被腐蚀断，如图6所示，其反应方程式如下：
AlCl3+H2O→Al(OH)3+HCl (1)
Al+HCl→AlCl3+H2↑ (2)
发明内容
本发明的主要目的在于提出能在尽量避免干法刻蚀过程中铝衬垫腐蚀的问题，同时快速、有效地完成晶圆基底上铝衬垫的刻蚀步骤的一种基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法。
为了实现上述目的，提出一种基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法，所述改善铝衬垫腐蚀的方法包括以下步骤：
S1：提供一种带有Si3N4和光刻胶双层掩蔽膜的铝膜衬垫，在玻璃基板形成所述铝膜衬垫；
S2：采用感应耦合等离子刻蚀机对铝衬底进行两次连续干法刻蚀，刻蚀腔体通入Cl2、BCl3、CH4气体，刻蚀过程中，含氯气体刻蚀铝衬底发生反应，生成AlCl3挥发性高，再将腔体内大部分的AlCl3气体排出；
S3：在首次刻蚀步骤完成后，向刻蚀腔体通入O2，利用辉光放电的方式产生O2的等离子体，去除腔体内残余的AlCl3，生成Al2O3和Cl2，再将Cl2从腔体内排出，完成脱Cl处理；
S4：在刻蚀步骤完成之后，采用烘烤设备，增加光刻胶中氯残留的挥发；
S5：采用去离子水冲洗铝衬垫表面残余聚合物。
作为本发明的较佳实施例，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S1执行如下处理的步骤：
在玻璃基板上制备铝衬垫，先在玻璃基底上形成铝膜层，铝膜层厚度范围为0.3μm～2μm；在所述铝膜层表面形成Si3N4和光刻胶复合掩蔽层，Si3N4厚度大于铝膜层厚度的九分之一，使用PECVD方法沉积Si3N4掩膜层，其厚度为0.125μm～0.45μm；
在所述Si3N4掩膜层上再使用紫外固胶机旋涂光刻胶掩膜层，其厚度为0.5μm～1.8μm，需要将光刻胶彻底烘干，保证光刻胶的均匀性；
使用掩模版曝光，显影后露出下一步要刻蚀的Si3N4区；
采用刻蚀机对Si3N4进行刻蚀，刻蚀未被光刻胶保护的Si3N4，直至露出铝表面，获得双层掩膜层的铝衬垫。
作为本发明的较佳实施例，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S2执行如下处理的步骤：对所述铝膜衬垫进行第一次干法刻蚀，刻蚀腔体通入Cl2、BCl3和CH4，刻蚀的工艺参数包括：刻蚀持续时间为300s，刻蚀温度为-20～40℃，腔体压力为10毫托，射频功率为200W，上电极功率为150W，下电极功率为30W，Cl2的气体流量为15毫升/分钟，BCl3的气体流量为33毫升/分钟，CH4的气体流量为20毫升/分钟，将吹扫时间改为120s，排出腔体大部分AlCl3，降低了氯含量。
作为本发明的较佳实施例，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S3执行如下处理的步骤：
对所述铝膜衬垫进行第二次干法刻蚀，向刻蚀腔体通入氧气，通过电离获得氧气的等离子体，与残留的AlCl3发生反应，生成氧化铝和氯气，再通过抽气设备将氯气排出，完成残留聚合物脱氯处理。
作为本发明的较佳实施例，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S4执行如下处理的步骤：采用烘烤设备，热炉缓慢升温，烘烤温度设定为250℃，烘烤时间100秒，以增加光刻胶中氯残留的挥发。
作为本发明的较佳实施例，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S5执行如下处理的步骤：
采用高压去离子水冲洗铝衬垫，通过高压细微水滴的冲击力去除吸附在铝衬垫表面的剩余光刻胶和残留物。
本发明的有益效果是：
1、本发明能在尽量避免干法刻蚀过程中铝衬垫腐蚀的问题，同时快速、有效地完成晶圆基底上铝衬垫的刻蚀步骤。
2、本发明采用Si3N4和光刻胶双层掩蔽膜，通过减少光刻胶厚度可以保护铝衬垫减少外界环境的影响来降低氯离子在光刻胶的残留量，并且Si3N4可以对铝衬垫实现保形覆盖，隔绝水汽，提高了产品品质。
3、本发明中使用CH4，CH4的主要作用是蚀刻生成的聚合物保护侧壁，隔绝氯离子与铝衬垫发生反应。
4、使用等离子离子轰击可以更为有效去除顽固氯残留，对氯聚合物造成破坏，被破话后的氯聚合物生成氯气，更容易通过抽气系统排出腔体
5、本发明采用烘烤设备，进一步以促进光刻胶中氯残留的挥发，和使用去离子水冲洗铝衬垫，去除残余聚合物，每一步都尽量的增加衬垫表面的氯残留的挥发，避免氯残留结合空气中水汽不断地腐蚀衬垫。
附图说明
图1为本发明的改善铝衬垫腐蚀流程图；
图2为本发明的玻璃基板上制备双层掩膜层的铝衬垫；
图3为本发明的铝衬垫上附着少量氯聚物；
图4为本发明的双层掩模铝衬垫腐蚀处理图；
图5为本发明中金属铝腐蚀缺陷对比图；
图6为本发明中铝腐蚀机理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
首先说明如下关键词(根据上述技术内容总结出行业内的技术术语及相应的英文术语)：
铝刻蚀缺陷(Aluminum Etching Defects)；干法刻蚀(Dry Etching)；工艺(Techincal Process)；电感耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma Etching)。
请参阅图1-4所示，本发明的一种基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法，包括以下步骤：
S1：提供一种带有Si3N4和光刻胶双层掩蔽膜的铝膜衬垫，在玻璃基板形成所述铝膜衬垫；
S2：采用感应耦合等离子刻蚀机对铝衬底进行两次连续干法刻蚀，刻蚀腔体通入Cl2、BCl3、CH4气体，刻蚀过程中，含氯气体刻蚀铝衬底发生反应，生成AlCl3挥发性高，再将腔体内大部分的AlCl3气体排出；
S3：在首次刻蚀步骤完成后，向刻蚀腔体通入O2，利用辉光放电的方式产生O2的等离子体，去除腔体内残余的AlCl3，生成Al2O3和Cl2，再将Cl2从腔体内排出，完成脱Cl处理；
S4：在刻蚀步骤完成之后，采用烘烤设备，增加光刻胶中氯残留的挥发；
S5：采用去离子水冲洗铝衬垫表面残余聚合物。
其中，本发明通常刻蚀金属铝是通入氯气(Cl2)和三氯化硼(BCl3)气体进行刻蚀，由于铝表面容易被氧化生成致密的氧化铝膜，这层自然氧化膜(Al2O3)阻碍了铝衬垫的刻蚀。通入BCl3电离后，BCl3的离子轰击破坏铝和氧之间的化学键，从而去除Al表面的自然氧化层，将其还原，让主刻蚀步骤能够有效进行，Cl2是刻蚀Al的主刻蚀气体，其与Al发生反应，主要利用Cl原子的强氧化性与金属Al反应，生成易挥发的AlCl3并被真空系统抽离；本发明改善铝衬垫腐蚀，刻蚀腔体通入Cl2，对铝衬垫进行刻蚀，会生成易挥发的AlCl3并被真空系统抽离。但抽气设备只能抽出腔体内大部分的AlCl3，仍有氯的残留存在于反应生成物中其中一小部份残余AlCl3在铝衬垫表面形成聚合物，而大部分的Cl/AlCl3吸附在光刻胶中。氯离子长时间残留于聚合物和光刻胶中，易引起铝腐蚀。采用Si3N4和光刻胶双层掩蔽膜，通过减少光刻胶厚度可以保护铝衬垫减少外界环境的影响来降低氯离子在光刻胶的残留量，并且Si3N4可以对铝衬垫实现保形覆盖，隔绝水汽，提高了产品品质。
干法刻蚀铝时，单层光刻胶掩膜无法耐受，增加光刻胶厚度又会导致光刻铝线条分辨率不够，同时也会增加氯离子在光刻胶中的残留量，因此，采用Si3N4和光刻胶双层掩蔽膜，设定好刻蚀功率，能够有效提高刻蚀效率和防止氯离子与铝膜层接触，改善铝衬垫腐蚀。
采用两次连续刻蚀进行脱氯处理，防止金属铝被腐蚀，第一次主刻蚀通入氯气(Cl2)、三氯化硼(BCl3)气体，并增加甲烷(CH4)气体参与铝金属干法蚀刻工艺，CH4的主要作用是蚀刻生成的聚合物保护侧壁，隔绝氯离子与铝衬垫发生反应，并通过抽气设备抽出腔体内大部分的含氯气体，接着进行第二次刻蚀，通入氧气(O2)作为第二次刻蚀的气体，与含氯的聚合物进行反应，生成Al2O3和氯气，再将氯气排出腔体，去除残余的含氯聚合物和光刻胶中的氯离子。
在刻蚀步骤完成之后，采用烘烤设备，增加光刻胶中氯残留的挥发。
采用去离子水(DI Water)冲洗去除铝衬垫上的氧化铝颗粒。
一种可选的实施方式，如图2所示，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S1执行如下处理的步骤：
在玻璃基板上制备铝衬垫，先在玻璃基底上形成铝膜层，铝膜层厚度范围为0.3μm～2μm；在所述铝膜层表面形成Si3N4和光刻胶复合掩蔽层，Si3N4厚度大于铝膜层厚度的九分之一，使用PECVD方法沉积Si3N4掩膜层，其厚度为0.125μm～0.45μm；
在所述Si3N4掩膜层上再使用紫外固胶机旋涂光刻胶掩膜层(PR为AZ5214)，其厚度为0.5μm～1.8μm，需要将光刻胶彻底烘干，保证光刻胶的均匀性；
使用掩模版曝光，显影后露出下一步要刻蚀的Si3N4区；
采用刻蚀机对Si3N4进行刻蚀，设备型号为感应耦合等离子体刻蚀-ICP03，刻蚀未被光刻胶保护的Si3N4，直至露出铝表面，获得双层掩膜层的铝衬垫。
一种可选的实施方式，如图3所示，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S2执行如下处理的步骤：执行完步骤S2再对铝衬垫进行两次连续刻蚀，首先对所述铝膜衬垫进行第一次干法刻蚀，刻蚀腔体通入Cl2、BCl3和CH4，刻蚀的工艺参数包括：刻蚀持续时间为300s，刻蚀温度为-20～40℃，腔体压力为10mtorr(毫托)，射频功率为200W，上电极功率为150W，下电极功率为30W，Cl2的气体流量为15sccm(毫升/分钟)，BCl3的气体流量为33sccm，CH4的气体流量为20sccm。为了减少氯离子和含氯聚合物在刻蚀的残留，增加吹扫时间，将吹扫时间改为120s，排出腔体大部分AlCl3，降低了氯含量。
一种可选的实施方式，如图4所示，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S3执行如下处理的步骤：接着对铝衬垫进行第二次干法刻蚀，对所述铝膜衬垫进行第二次干法刻蚀，向刻蚀腔体通入氧气，通过电离获得氧气的等离子体，与残留的AlCl3发生反应，生成氧化铝和氯气，再通过抽气设备将氯气排出，完成残留聚合物脱氯处理，其反应方程如下：
AlCl3+O2-→Al2O3+Cl2↑ (3)
使用等离子离子轰击可以更为有效去除顽固氯残留，对氯聚合物造成破坏，被破话后的氯聚合物生成氯气，更容易通过抽气系统排出腔体。
一种可选的实施方式，如图1所示，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S4执行如下处理的步骤：采用烘烤设备，热炉缓慢升温，烘烤温度设定为250℃，烘烤时间100秒，以增加光刻胶中氯残留的挥发。
一种可选的实施方式，如图1所示，本发明所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S5执行如下处理的步骤：
使用无尘布蘸取丙酮轻轻擦拭，去除光刻胶，在擦拭完成后，采用高压去离子水(DI Water)冲洗铝衬垫，通过高压细微水滴的冲击力去除吸附在铝衬垫表面的剩余光刻胶和残留物；铝衬底上残余Si3N4膜不需要再进行额外刻蚀去除，可以用来保护铝衬垫免划伤和避免污染，可以作为表面临时钝化膜，在随后的钝化刻蚀步骤去除即可。
其中，本发明采用烘烤设备，进一步以促进光刻胶中氯残留的挥发，和使用去离子水冲洗铝衬垫，去除残余聚合物，每一步都尽量的增加衬垫表面的氯残留的挥发，避免氯残留结合空气中水汽不断地腐蚀衬垫。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和偏移处理。该类修改、改进和偏移处理在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、偏移处理仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
此外，本领域技术人员可以理解，本说明书的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对它们的任何新的和有用的改进。相应地，本说明书的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本说明书的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。
最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其它的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (6)

1.一种基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法，其特征在于，所述改善铝衬垫腐蚀的方法包括以下步骤：
S1：提供一种带有Si3N4和光刻胶双层掩蔽膜的铝膜衬垫，在玻璃基板形成所述铝膜衬垫；
S2：采用感应耦合等离子刻蚀机对铝衬底进行两次连续干法刻蚀，刻蚀腔体通入Cl2、BCl3、CH4气体，刻蚀过程中，含氯气体刻蚀铝衬底发生反应，生成AlCl3挥发性高，再将腔体内大部分的AlCl3气体排出；
S3：在首次刻蚀步骤完成后，向刻蚀腔体通入O2，利用辉光放电的方式产生O2的等离子体，去除腔体内残余的AlCl3，生成Al2O3和Cl2，再将Cl2从腔体内排出，完成脱Cl处理；
S4：在刻蚀步骤完成之后，采用烘烤设备，增加光刻胶中氯残留的挥发；
S5：采用去离子水冲洗铝衬垫表面残余聚合物。
2.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法，其特征在于，所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S1执行如下处理的步骤：
在玻璃基板上制备铝衬垫，先在玻璃基底上形成铝膜层，铝膜层厚度范围为0.3μm～2μm；在所述铝膜层表面形成Si3N4和光刻胶复合掩蔽层，Si3N4厚度大于铝膜层厚度的九分之一，使用PECVD方法沉积Si3N4掩膜层，其厚度为0.125μm～0.45μm；
在所述Si3N4掩膜层上再使用紫外固胶机旋涂光刻胶掩膜层，其厚度为0.5μm～1.8μm，需要将光刻胶彻底烘干，保证光刻胶的均匀性；
使用掩模版曝光，显影后露出下一步要刻蚀的Si3N4区；
采用刻蚀机对Si3N4进行刻蚀，刻蚀未被光刻胶保护的Si3N4，直至露出铝表面，获得双层掩膜层的铝衬垫。
3.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法，其特征在于，所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S2执行如下处理的步骤：对所述铝膜衬垫进行第一次干法刻蚀，刻蚀腔体通入Cl2、BCl3和CH4，刻蚀的工艺参数包括：刻蚀持续时间为300s，刻蚀温度为-20～40℃，腔体压力为10毫托，射频功率为200W，上电极功率为150W，下电极功率为30W，Cl2的气体流量为15毫升/分钟，BCl3的气体流量为33毫升/分钟，CH4的气体流量为20毫升/分钟，将吹扫时间改为120s，排出腔体大部分AlCl3，降低了氯含量。
4.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法，其特征在于，所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S3执行如下处理的步骤：
对所述铝膜衬垫进行第二次干法刻蚀，向刻蚀腔体通入氧气，通过电离获得氧气的等离子体，与残留的AlCl3发生反应，生成氧化铝和氯气，再通过抽气设备将氯气排出，完成残留聚合物脱氯处理。
5.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法，其特征在于，所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S4执行如下处理的步骤：采用烘烤设备，热炉缓慢升温，烘烤温度设定为250℃，烘烤时间100秒，以增加光刻胶中氯残留的挥发。
6.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子刻蚀改善铝衬垫腐蚀的方法，其特征在于，所述改善铝衬垫腐蚀的方法的步骤S5执行如下处理的步骤：
采用高压去离子水冲洗铝衬垫，通过高压细微水滴的冲击力去除吸附在铝衬垫表面的剩余光刻胶和残留物。
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