411530 at ___B7五、發明説明（ 發明領域 本發明係有關於一種金屬層蝕刻製程，尤其是有關於 種在社刻困案不同密度之區域降低蝕刻差異的金屬蝕刻 製程β發明背景： 經濟部中央揉準扃貝工消费合作社印製 杜刻製程的作用’主要是將薄骐製程所沉積的薄膜， 以光阻圖案復蓋，並將来被光阻層所覆蓋及保護的部分， 應用化學反應或物理作用去除而達到圖案轉換之目的。同 時現在仍廣泛使用的蝕刻技術即為具等向性（isotropic) 效果的濕式蝕刻（wet etching)和非等向性（anisotropic) 效果的乾式杜刻（dry etching) · 在半導體元件之製造中，由於元件持續往小型化發 展’因此其甲用來建立導電特性例如金厲内連線之金屬蝕 刻製程就變得益形重要。於此金屬蝕刻製程中，反應性離 子蝕刻（Reactive Ion Etch, RIE)的乾式蝕刻技術是常用 的方法。然而’由於此蝕刻法藉由物理與化學兩種機構來 去除薄膜層’因此適當的控制此兩種機構方能得到良好的 非等向性、選擇性、及蝕刻速率等結果。比較新的蝕刻反 應室設計，例如電感叙合式電祭_(111(111<:1;丨丫61丫 Coupled 本紙茌尺度逋用中國困家標準（CNS ) Α4规格（210X297公釐） (請先聞妒ΐ面、5注意事項再填寫本頁) b Γ i A7 B7 _ 411530 五、發明説明（）
Plasma, ICP)技術，則可改進電漿源之密度和能量，以強 化上述之蝕刻非等向性、選擇性、及蝕刻速率等變數。 於傳統之金屬内連線蝕刻中，因為元件之不同特性使 得圓案也會有不同的密度，上述之蝕刻非等向性、選擇性、 和蝕刻速率會因為此不同密度之圖案而有些許差異。由於 近年來半導體線宽的持續縮小，此問題變得更加嚴重》也 就是說，圖案的密度和線宽的大小將影樂蝕刻速率和蝕刻 線的外觀》此現象即為微負載（micro loading)現象β 參閱第一圖，此圖中顯示的即為傳統之金屬内連線蝕 刻的截面視圖。圖中之標號50為金屬围案之密集區（dense area)，而標號60則為金屬圈案之空曠區（open area)。底 層10為一般積體電路之元件形成之後，再於其上所形成之 介電層。於介電層10之上則為氮化鈦/鈦之阻障層20，阻 障層20之上則為鋁或鋁合金導電層30，而於鋁合金導電 層30之上再形成抗反射層（Anti-Reflection Coating， ARC)40 ’以防止金屬表面的反光而影饗曝光的精度。 於此圖中可以明顯的看出*在密集區50和空嘛區60 同時蚀刻金屬線時’由於離子和中子傳輪的影響，蝕刻線 之輪廓會因為微負載效應而在空曠區6〇的導線側壁無法 產生較佳的非等向性杜刻效果《但是如果意欲讓空喊區之 導線側壁有較佳的非等向性蝕刻而改變製程參數時，則會 產生當空曠區60之導線側壁較為垂直時，則密集區go之 本纸張尺度逋用中囷國家梯準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 言 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印装 411530 A7 _B7_ _ 五、發明説明（） 導線側壁有底切（undercut)的現象（未於圖中顯示出來）。 在傳統之金屬導線蝕刻時，如果空曠區60之金屬線因 為傾斜之側壁而產生較大的線宽時，則在空曠區和密集區 之交界的地方，此微負載效應所產生之較大的線寬可能使 導線有短路之虡，如此將使得元件特性受到嚴重的影饗。 心 雖然也有其它的方法可減少此現象的發生，例如在空曠區 之導線旁設計二條假的導線，以降低微負載效應。但是此 > . 方法並無法根本解決此問題，加上考慮的因素較多，製程 也較複雜。綜合以上所述，因此需要有一種製程方法，可 以降低此微負載效應，以便增加元件之可靠度和信賴度。 發明自的及概述： 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 鑒於上述之發明背景中，傳統的金屬層蝕刻會在固案 之密集區（dense area)和空味區（open area)產生導線輪廓 不同之微負載（microloading)效應，使得空嘛區之金屬導 線的線寬增大，如此則在導線之密集區和空曠區之交界處 會有電性短路的危險，因此本發明之製程即針對此金屬導 線之微負載效應，利用有效的製程參數來改善此缺點β利 用本發明之特色所提供的實施例如下所述·· —般之半導體元件的金屬化（metallization)製程應 用，係形成堆4式的金屬層結構，其中係先於半導體元件 本纸張尺度適用中國囷家標準（CNS ) A4*H格（210X297公釐） 411530 A7 B7 五、發明説明（） 所形成的介電層之上，形成鈦（Ti)/氮化鈦（TiN)之阻障屠 (barrier layer) ’再濺鍍鋁或鋁合金於此阻障層上作為主 要的導電層。然後於此鋁合金層之上形成氮化鈦之抗反射 層（anti-reflection coating)，最後再形成介電層之抗反 射層而形成此堆疊式金眉層結構》 然後以傳統之微影及蝕刻製程，在此堆壘式金屬層結 構之上’形成一層光阻圈案’再利用此光阻圖案作為罩幕， 進行下列之金屬層蝕刻步驟： a) 利用氯氣（Ch)所形成的電漿，來進行電感耦合式電 漿（Inductively Coupled Plasma, ICP)蚀刻法，此方法可 以改進電漿源之密度和能董，以強化蝕刻非等向性、選擇 性、及蝕刻速率等變數。同時並加入適當的三氟甲烷（CHFO 來去除蝕刻囷案以外的殘餘物並增加蝕刻的非等向性β於 此步驟中，同時將氮化鈦和介電層之抗反射層加以去除。 b) 接著以相同的蝕刻方法，進行鋁合金層及底層之氣 化鈦阻障層的蝕刻《此步驟中之反應氣體除了氣氣之外， 另外加上三氯化硼（BC U)及氮氣（Nz)，以增加非等向性蝕刻 之能力。 經濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 於本發明中，為了避免密集區和空曠區所產生的金屬 導線微負載效應，因此將氣氣/三氣化硼反應氣體二者之體 積比由傳統之1 : 1到2. 5 : 1提高到2, 5 : 1到4 : 1，同 時反應器中的壓力也提高到12mTorr，偏壓功率則降低為 本纸張尺度適用中國國家揉準（CNS > A4规格（210X297公釐） 經濟部中央梂準局貝工消费合作杜印製 411530 五、發明説明（） 50-120ffatte也就是說，將此蝕刻製程之物理效應降低， 而將化學效應增強，而達到密集區和空痛區之金屬導線都 能達到適當的非等向性#刻效果。 c)然後以相同之蝕刻方法，進行兩步驟之過度蝕刻 (over etch)程序。於此過度姓刻之步採中，則停止CHF3 £， 和…之供應，只以C1:和BCh反應氣體之電漿進行蝕刻， 以去除因為薄膜的厚度不均，或其它因素而造成的蝕刻差 異，確保元件之電性》 當金屬層鈦刻完成之後，則進行導線層之側壁保護層 及防止腐蝕之製程，再將光阻層剝離，然後進行有機溶劑 清潔之工作’之後則可依元件之需求而進行下一個製程。 本發明以供應氣想CI2/BCI3之適度比例，加上增加的 反應室壓力及降低之直流偏壓，而得到不同密度之導線圈 案區都可具有良好之非等向性蝕刻特性•以本發明之方法 不但將金屬層之蝕刻製程取得極佳之平衡點，更可因為如 此而增加元件之可靠度並增加生產之產能》 圖式簡單說明： 本發明的較佳實施例將於往後之說明文字中輔以下列 圊形做更詳細的闡述： 第一®為依照傳統之方法形成金屬導線層之截面視 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X2?7公漦） ----------家--------—tr~---.----▲ 7* <請先閲谱背面<注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局另工消费合作社印装 411530 五、發明説明（） 圖； 第二圖為形成金屬層堆疊結構之截面視圖； 第三圖為依照本發明形成圖案化之光阻罩幕層於此堆 疊金屬層結構之上的截面視圓； 第四®為依照本發明之金眉層蝕刻步驟；及 第五®為金眉層蝕刻之流程圖。 發明詳細說明： 由於傳統上蝕刻金屬導電層時極易在蝕刻圖案之密集 區（dense area)和空曠區（oper] area)產生導線之輪廓外形 不同的微負載（micro loading)現象，當密集區之導線輪廓 具極佳之垂直外觀時，位於空曠區之導線外觀則產生較差 的垂直特性；而當調整參數使空曠區之金屑導線具垂直之 特性時’則密集區之導線會產生底切（undercut)之現象。 此兩種情形都對元件之特性有不良之影響，因此本發明所 揭露的金屬層蝕刻之方法，即針對此微負載現象，以適當 的氯氣（Ch)和三氣化硼（BC13)反應氣體之比例，加上反應 器壓力的增加，及直流偏壓的降低，而仍維持蝕刻之非等 向性效果，以達到全面性的金屬層蝕刻效果。 於本發明之囷示中，為了便於明瞭起見，相同的材料 鍍層都以同樣的標號加以標示，且必需注意的是，各鍍層 本纸張尺度逍用中S®家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐） -^.--^---—tr-----—Λ. -- (請先聞汝背面之注^^項再填寫本頁) 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印装 五、發明説明（） 之比例並未完全依照實際之厚度而加以繪製。再者’下面 將要描述的製程步驟中，由於包含許多為人所熟知的微影 及蝕刻製程，因此有許多步驟將不在此加以詳述。 參閲第二圖’此圖所顧示的截面即為依照本發明之金 屬層堆Φ結構於積艘電路之製造中，無論是較單純的金 屬氧化半導想（Metal-Oxide Semiconductor, MOS)，或者 積集度較高'製程較複雜的互補式金氧半導體 (Complementary MOS，CMOS)，主要都由構成M0S主體的閘 極’及位於閉極兩旁極性不同的兩個半導體區，分別稱作 源極和汲極所組成。當整個積體電路内各個電晶艘的主體 完成之後’必需沉積一層介電材料以便和後續的金屬導電 層相隔離。一般可利用CVD技術，沉積例如硼磷矽玻璃 (BPSG)之介電材料，再以熱流製程將其平坦化而成，此即 為第二圖中之介電層10· 接著於介電層10之上則形成氮化鈦（TiN)之阻障層 20。而為了提升金屬對梦之歐姆式接觸（〇hmic contact)， 亦可形成氮化鈦/金屬鈦之形式。此氮化鈦/鈦之阻障層20 的使用可避免上層之鋁材因為高溫製程時所產生的擴散現 象（通常稱之為尖峰（spike)現象）而彩響元件電性》同時此 阻障層 20可利用反應性滅鍵（reactive sputtering deposition)法或磁控直流減鍵（magnetron DC sputtering) 法來形成。於一實施例中，所形成之金屬鈦層之厚度約為 本紙張又度適用中國國家揉準（CMS ) A4規格（2丨〇父297公釐） -I ---I -裝！ — (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 411530 at ...__B7 五、發明説明（） 600埃左右，而氮化鈦之厚度則為200埃左右》 然後再以金眉鋁作為元件之導電層30而濺鍍沉積於阻 障層20之上。一般金属導線製程申，因為鋁的電阻率很 低，且對二氧化矽層具良好的附著能力，因此普遍的應用 在導電材料中•但是為了防止上述之尖峰現象並增加其可 靠性，則常加入0. 5¾之鋼形成鋁-銅合金（或再加入矽而成 為鋁-矽-銅合金於一實施例中，此鋁合金導電層30之 厚度約為3. 2k埃左右· 之後再沉積一層氮化鈦層40於該鋁合金導電層30之 上而形成金屬抗反射層（Anti-Reflection Coating, ARC)，並且於一實施例之令，此氮化鈦抗反射層40之厚度 約為300埃左右。於此金屬抗反射層40之上接著沉積一層 例如氮氧化矽（SiON)之介電層70，此介電層70之作用亦 為抗反射層，且在一實施例中之厚度約為300埃左右。現 今之半導«製程中，由於元件之小型化及蝕刻圈案愈趨精 密，因而嗪光時之圈案轉移精度變得更加重要，抗反射層 的作用即為防止金屬表面的反光而影響到曝光的精度。 接著參閲第三圖，為了蝕刻此金屬層堆疊，因此於此 金屬層之上形成圖案化之光阻層80。依照上述所形成之金 屬層堆疊之厚度，加上光阻對金屬層之選擇性 (selectivity)較低的緣故，因此必需形成約5.2k埃厚度 之光阻層方足夠用來蝕刻此金屬層》於此光阻圖案中，標 本紙張尺度適用中國81家橾準（CNS ) Α4规格（2丨0X297公釐） ------- ^ ------- ^ (請先讀背面，ί/注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印製 411530_^_ 五、發明説明（） 號50代表了圊案密度較大的密集區，而標號6〇則代表了 圖案密度較小的空曠區。 然後參閱第四®，以光阻層8 0作為蝕刻箪幕來蝕刻底 層之金属層堆4 ·由於乾式蝕刻技術的不斷改良，近來用 以改進傳統之霓漿源的技術例如變壓耦合式電漿 (Transformer Coupled Plasma, TCP)技術和電感耦合式電 漿（Inductivery Coupled Plasma, ICP)技術逐漸成為蝕刻 的重心，此類方法可改進電漿源之密度和能量，以增加蝕 刻非等向性、選擇性、及蝕刻速率等*本發明即可利用上 述之技術或任何適當的蝕刻技術來蝕刻金屬層。而詳細之 蝕刻步驟則為： a) 由於氟化物氣體所形成之電漿並不適合用來蝕刻金 屬層，因此乃以氯氣（Cl2)作為蝕刻之反應氣«。於本發明 中，則利用約90sccm之氯氣，同時加入約15sccm之三氟 甲烷（CHFO來執行最上層之介電層抗反射層70及氮化鈦抗 反射層40之蝕刻。所加入之三氟甲烷由於會在金屬層之側 壁上覆蓋一層高分子薄膜，可進一步減少氟原子電漿和側 面之金屬反應，因此更增加了非等向性之蝕刻效果。 b) 接著進行鋁合金層30及底層之氮化鈦阻障層20的 蝕刻。於此步驊中除了 Cl2和CHF3之外，並加上三氯化硼 (BCh)及氮氣（N2)來增加蝕刻之非等向性。三氯化硼之加 入，會使得反應器内的氧氣和水份減少’並可形成含氣之 10 i纸張尺度遢用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公兼Γ ---------------—ir-------^ 1 - (请先聞·請背面V注意Ϋ項再填寫本頁) 經濟部中央揉丰局貝工消费合作社印裝 411530 a? _______B7 五、發明説明（） 正離子而利於離子爲擊的作用。因而使得c丨z/BC丨3電漿對 銘的非等向性姓刻的能力增加。而氮氣之導入則和三氟甲 烷類似’可讓金屬層之輪廓控制得更好。 於本發明中所使用之Cl2大約為75sccdi左右，而BCI3 則士約為30seem左右’通入之c 12和BC13之體積比例變 £'化’可由傳統之1 : 1到2. 5 : 1提高到2. 5 : 1到4 : 1左 右；而CHF3和則維持在5sccm左右：再者，反應器争之 整力則從一般之lOmTorr以下提高到i2mTorr以上；並且 將偏壓功率由傳統之120Watt而降至50M20Watt左右》 由於ICP之電漿蝕刻法結合物理與化學兩種去除薄 琪的機構而得到非等向性蝕刻之優點，因此本發明偏壓功 率的降低將使得粒子轟擊的強度減弱，亦即物理性蝕刻因 素變小。另外一方面，増加Ch/BCh氣體之比例及提高 反應室的壓力，則朝向解離之反應性離子增加，再藉由離 子與薄旗間的化學反應來進行姓刻《換句話說，依照本發 明之反應機構將減低物理性蝕刻因素而提高化學性杜刻 因素。物理性蝕刻機構可得到極佳的非等向性，但化學性 杜刻機構則可有高選擇性（s e 1 e c t i ν i t y )的優點，然則經 由本發明之上述參數的改變，不但可得到全面性非等向性 蝕刻的優點’選擇性也會有所增進。亦即，傳統之金屬層 蝕刻的輪廓微負載效應已不復見。 於此蝕刻步驟中，鋁合金層的蝕刻是否完成，則藉由 本紙彔尺度適Λ中國®家梂準（CNS ) A4規格（2丨OX297公釐） ----^---^-----裝-----^丨訂-------.為 , - - (請先閲锖背面之注意事項再填寫本頁) M濟部中央揉率局員工消費合作社印製 41153Π A7 __B7 _ 五、發明説明（） 蝕刻终點偵測器加以確保，以避免蝕刻不足或蝕刻過度的 問題。 C)再以相同之姓刻方法’進行最後兩步称之過度姓刻 (over etch)之製程•於過度杜刻之步播中，則停止 和L之供應’而以c.l a和BCI3反應氣艘之電漿進行姓刻· £、 於本發明第一步驟之過度蝕刻中，通入約50scCni左右之 Cl：：和約45scc1m左右之BCh，而第二步驟之過度飪刻中， 則通入約60SCCD1左右之Cl2和约55sccni左右之BC13，而 此兩步驟之反應室壓力則再降至1 OmTorr以下，偏壓功率 則升高至1 lOffatt *此過度蝕刻步驟之作用，可去除因為 薄膜的厚度不均，或其它因素而造成的蝕刻差異，以確保 元件之電性。同時於第四圖中之光阻層己經加以剝離而未 顯示出來。 參閱第五圖，此圖中之步驟90為金屬導線層圖案之蝕 刻製程’之後當鋁合金導線層經過氯化物電漿的蝕刻之 後’合金表面或系統中會有殘留的氯，因此可用CF«或CHF；j 的電漿來去除此類殘留物，並在金屬層側壁形成高分子保 護層’以達到防腐蝕的效果，即為步播100*然後再到步 驟110將剩餘之光阻層剝離。然後到步驟120進行有機溶 液的清洗步驟，以便移除仍殘留在金屬層上之聚合物，再 依元件之需求，進行下一個步驟130* 經由上述本發明之高C1 VBC13通入氣體體積比例、提 本紙張尺度通用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 裝----__^|訂_------点 (請先閲请背面之注$項再填窝本頁) A7 B7 五、發明説明（） 高的反應室壓力、及較低的偏壓功率，將使得金屬層蝕刻 時的密集區和空曠區之金屬導線皆有極佳的垂直側壁„因 此’蝕刻輪廓之微負載效應得以避免，導線之間就不容易 產生電性短路的危險。 如热悉此技術之人員所瞭解的，以上所述僅為本發明 之較佳實施例而已’並非用以限定本發明之申請專利範 团；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改 變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍内。 請 先 閲 讀. 背 面 之 注' 意 事 項 再 填 ί裝 頁 訂 經濟部中央橾準局员工消费合作杜印製 本纸張尺度適用中國國家梯準（CNS > Α4規格（210X297公釐）