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引言
隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，多層處理變得越來越復(fù)雜，清洗溶液和蝕刻化學(xué)物質(zhì)在提高收率和減少缺陷方面的作用變得越來越重要。本文證明了具有銅和鎢相容性的成功配方，并具有層間介電(ILD)清洗和選擇性鈦刻蝕的性能。
本文研究了電化學(xué)沉積的銅薄膜在含氫氟酸(HF)的脫脂清洗溶液中的腐蝕行為。清潔溶液中過氧化氫的存在導(dǎo)致了對(duì)銅溶解速率的抑制超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。我們將這種現(xiàn)象歸因于在DHF中溶解速度較慢的界面氧化銅的形成。本文提出了一種涉及氧陰極還原和Cu0和Cu+1陽(yáng)極氧化的動(dòng)力學(xué)方案。我們利用銅腐蝕研究的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了一種濕蝕刻/清潔配方。鈦硬掩模的引入用于銅互連的雙屏蔽圖案，這在選擇性濕蝕刻化學(xué)中創(chuàng)造了一個(gè)獨(dú)特的應(yīng)用。
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含有機(jī)HF清洗液中銅薄膜的腐蝕行為
在當(dāng)今先進(jìn)的互連系統(tǒng)中，銅是超大規(guī)模集成(ULSI)金屬化的選擇。銅線現(xiàn)在用于所有互連層，高達(dá)12個(gè)金屬化水平?；ミB是由金屬線制成的電氣路徑或載流子，由絕緣層間介質(zhì)材料分隔。用銅取代鋁合金要求集成、金屬化和圖案化工藝技術(shù)發(fā)生顯著變化。例如，在半導(dǎo)體器件中銅的引入已經(jīng)引起了人們對(duì)薄膜腐蝕現(xiàn)象的關(guān)注，以避免最佳的器件性能、可靠性和壽命。一個(gè)簡(jiǎn)單的兩層DD互連系統(tǒng)如圖3.1所示。在這樣的系統(tǒng)中，允許晶體管相互通信以及與外部世界通信的電信號(hào)通過任何給定的金屬化水平內(nèi)的金屬線傳輸，并通過充滿銅的通道從一個(gè)金屬化水平傳輸?shù)搅硪粋€(gè)金屬化水平。在DD系統(tǒng)中，通電電阻主要取決于銅擴(kuò)散屏障的通電直徑和厚度、所使用的電阻率以及與底層金屬層的整體界面電阻。在圖案形成過程中，等離子體蝕刻產(chǎn)生的蝕刻殘留物可能通過電阻產(chǎn)生高強(qiáng)度，甚至產(chǎn)生開口。
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圖3.1 一個(gè)簡(jiǎn)單的兩層DD互連系統(tǒng)（非擴(kuò)展）
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先進(jìn)銅互連和選擇性濕蝕概念
本章重點(diǎn)僅限于一種新穎的配方，它的設(shè)計(jì)是為了選擇性地剝離圖案鈦薄膜，而不影響關(guān)鍵互連/晶體管材料。在集成銅互圖案的先進(jìn)邏輯過程技術(shù)中加入金屬硬掩模(MHM)的許多優(yōu)點(diǎn)之一是通過耀斑進(jìn)行控制。由于低鉀ILD材料的機(jī)械強(qiáng)度較弱，以及在蝕刻過程中對(duì)火炬頂部的變形，工業(yè)的遷移造成了相當(dāng)大的困難，如圖4.1所示。通過蝕刻輪廓通過對(duì)待沉積金屬銅擴(kuò)散屏障的連續(xù)性和共形的影響來影響可靠性。此外，MHM允許一個(gè)關(guān)于蝕刻速率控制的寬工藝窗口，允許蝕刻高方面的定量結(jié)構(gòu)，保護(hù)ILD材料免受等離子體蝕刻過程引起的損傷，并在通過和溝槽圖案步驟中作為ILD和光刻膠之間的界面。當(dāng)使用聚合物ILD時(shí)，這是至關(guān)重要的，因?yàn)楣饪棠z和聚合物ILD之間的干性蝕刻選擇性很難達(dá)到。蝕刻策略依賴于在溝蝕刻過程中消耗最多的光刻劑，如果不是所有的光刻劑。在這種情況下，當(dāng)光刻膠被消耗時(shí)，硬掩模的存在阻止了通過和溝槽蝕刻化學(xué)物質(zhì)攻擊晶片的掩蔽區(qū)域中的聚合物ILD。本文還提出了一種雙硬掩模方法和三重硬掩模集成方法，用于聚合物和混合ILDs中的DD結(jié)構(gòu)模式化。
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圖4.1 一個(gè)電失效的通過的掃描電鏡顯微圖
為了充分實(shí)現(xiàn)上述使用硬掩模的優(yōu)點(diǎn)，必須使用金屬硬掩模。傳統(tǒng)的無機(jī)硬掩模（例如，二氧化硅，碳化硅…）由于在介電蝕刻過程中產(chǎn)生的低選擇性，在50納米以下沒有足夠的先進(jìn)互連系統(tǒng)。新金屬材料，如Ti、氮化鈦、TaN等…，具有不同于介質(zhì)材料的化學(xué)性質(zhì)，允許比傳統(tǒng)無機(jī)硬掩模更好的硬掩模能力。
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選擇性鈦濕式蝕刻/清潔化學(xué)配方的開發(fā)
本章節(jié)詳細(xì)討論了一種強(qiáng)大的鈦選擇性濕蝕刻化學(xué)配方的發(fā)展。該配方是基于HF的化學(xué)溶液，具有獨(dú)特的選擇性行為，并符合互連制造要求，其中首次集成了金屬硬掩模，制造高性能互連系統(tǒng)，使先進(jìn)ULSI的可靠制造工藝成為可能。蝕刻鈦硬掩模而不影響關(guān)鍵互連結(jié)構(gòu)的能力已經(jīng)被成功地證明。濕蝕刻配方是為了解決選擇性地剝離薄的圖案化鈦層和去除干蝕刻后對(duì)銅、氧化硅、玻璃硅酸鹽、碳摻雜氧化物和多孔ILD薄膜相容性優(yōu)越的殘留物/聚合物的問題。
該配方最顯著的特點(diǎn)是，它含有氫氟酸作為其成分之一。然而，它與氧化硅和摻雜的氧化硅電介質(zhì)材料表現(xiàn)出特殊的相容性，其中達(dá)到了零蝕刻率。必須強(qiáng)調(diào)這一獨(dú)特的特性，因?yàn)橐阎袧袷轿g刻化學(xué)物質(zhì)的高頻對(duì)硅氧化物具有極大的侵略性。
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結(jié)論
隨著半導(dǎo)體工業(yè)的多層處理變得越來越復(fù)雜，清洗溶液和蝕刻化學(xué)物質(zhì)在提高收率和減少缺陷方面的作用變得越來越重要。本文證明了銅和鎢相容性，具有ILD清洗和選擇性鈦蝕刻。
在反應(yīng)器中大規(guī)模合成濕式蝕刻/清潔配方的總結(jié)結(jié)果表明，所開發(fā)的配方符合前面描述的必要的成功標(biāo)準(zhǔn)，即創(chuàng)建了無顆粒、聚合物或油性殘留物的均勻溶液混合物。此外，實(shí)現(xiàn)了各種襯底的蝕刻速率目標(biāo)，并在圖案晶片上得到了確認(rèn)。
在銅腐蝕工作中，在含有機(jī)的HF清洗溶液中進(jìn)行的電位動(dòng)力學(xué)極化實(shí)驗(yàn)顯示了主動(dòng)、主動(dòng)被動(dòng)、被動(dòng)和跨被動(dòng)區(qū)域。使用有機(jī)緩蝕劑和可能使用過氧化氫是降低清洗溶液中腐蝕速率和銅濃度的有效方法。過氧化氫添加到清潔溶液中似乎非常有益，可以創(chuàng)建一個(gè)抵抗高頻攻擊的氧化銅薄膜。