CN1163949C - 用于亚微米金属刻蚀的低压低功率Cl2/HCl工艺 - Google Patents

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Abstract

向衬底上下方的电极馈送功率而产生变压器耦合等离子体，用Cl2和HCl作反应物，在低功率和低压下获得金属化层的RIE。对Ti/TiN制成的势垒层间的体铝或铝合金的三层金属化进行刻蚀，刻蚀势垒层时使用低Cl2量，刻蚀体铝或铝合金层时使用高Cl2量，控制刻蚀剂以及惰性气体的比率使金属化层中沟槽的侧壁上，淀积极薄侧壁层(10-100埃)。改善了刻蚀的各向同性，致使形成带有无缺陷的侧壁的亚微米金属化线。可将氢加入等离子体从而减少侵蚀。

Description

用于亚微米金属刻蚀的低 压低功率Cl2/HCl工艺
本发明一般涉及到半导体器件与电路的制造，更确切地说是涉及到一种采用氯(Cl2)和氯化氢(HCl)气体在反应离子刻蚀(RIE)中作亚微米金属刻蚀的工艺。
传统的RIE工艺采用相当高的源功率(500W或更高的)的氯化硼(BCl3)与Cl2的化学过程。采用BCl3的历史原因是这种气体在反应器中除了用作腐蚀剂之外，还用作氧(O2)的清除剂。在存在O2(即潮气)的情况下，BCl3分解成B2O3和Cl2。BCl3的缺点是B2O3是反应器中的颗粒源。
对于工作于15mT以下的现代高离子密度反应器来说，不需要O2或潮气清除剂，BCl3的这一性质于是得不到利用。而且，采用这种方法的高功率工艺也有某些问题。问题之一是抗蚀剂腐蚀率高以及衬底电介质(通常是二氧化硅(SiO2))的大量损失。而且，这种工艺更易于侵蚀，而以Al-Cu(Al中0.5％的Cu)横向损耗为特征的所谓“鼠蚀”是不期望的。图1是“鼠蚀”的扫描电镜(SEM)照片，图2的SEM照片示出了侵蚀。侵蚀发生的原因是Cl2在存在H2O的情况下腐蚀被刻蚀的金属线的侧壁(SW)。“鼠蚀”是由于缺乏SW钝化而发生的侵蚀的一种形式。
在常规的金属刻蚀中，离子密度被认为控制侧壁外形，而高的源功率(约为500W或更高)是一种获得高离子密度的常用方法。授予Xiaobing等人的美国专利5,387,556公布了一种用含HCl、Cl的刻蚀剂和氮(N2)对铝和铝合金进行刻蚀的工艺，它采用常规的电容耦合等离子工艺。在电容耦合的等离子体中，功率提供于反应室的顶部或底部，且等离子体起电容器的作用。反应室中较高的功率和较高的压力导致较高的离子密度。不幸的是，较高的功率和压力导致侧壁的更大的腐蚀以及对电荷损伤与侵蚀更加敏感。此外，Xiaobing等人在刻蚀过程中使用磁场，因为这可能使片子上的半导体器件遭到电荷损伤，所以这是不好的。授予Harvilchuck等人的美国专利3,994,793也公布了铝的RIE，它采用含卤素具体是氯、溴、盐酸和四氯化碳的刻蚀剂。Harvilchuck也指出了电容耦合等离子体的使用，并依赖于用氯或溴离子对被刻蚀层的“溅射”或“轰击”。授予Kawai的美国专利5,223,085讨论了用卤化氢产生的等离子体对层的各向异性刻蚀。在Kawai等人的专利中，等离子体由电子回旋共振(ECR)源产生。其中高功率输入被用来借助于共振匹配方式将能量转移到等离子体中的电子。
因此，本发明的一个目的是提供一种采用Cl2和HCl气体的低功率和低压RIE工艺，这种工艺在亚微米铝和铝合金刻蚀中产生更垂直的侧壁轮廓并减轻了侵蚀。
本发明的另一目的是提供一种不采用磁场的刻蚀工艺，从而避免了对片子或其它衬底上的器件造成电荷损伤。
本发明的另一目的是提供一种三步工艺，它采用钛基保护即“势垒”层的物理溅射和体铝或铝合金层的化学腐蚀以实现多层金属布线。
本发明的又一目的是提供一种用来控制RIE工艺中各反应气体比率的控制方式，使得可以制作极薄的侧壁“钝化”或“聚合物”或“淀积层”，可防止刻蚀工艺中的各向同性刻蚀，其本身很容易用侧壁剥离方法清除以致尔后不会起侵蚀源的作用。
根据本发明，用低功率(＜350W)和低压(＜15mT)RIE对铝和铝合金进行各向异性刻蚀；从而避免了侧壁腐蚀和其它与高功率RIE有关的问题，采用低功率工艺还导致RIE过程中用来对铝或铝合金进行图形化的叠加的图形化光抗蚀剂的较小的紫外(UV)硬化，从而使它在抗蚀剂剥离过程中更容易清除。通常，用在集成电路中的布铝有中间夹有一个体铝或铝合金层的顶部和底部势垒层。顶层和底层通常包括钛或钛合金、其它金属、金属合金或金属氮化物。这三层金属化层根据本发明用三步工艺来图形化，其中的反应剂的比率被调整到在顶层和底层获得熟知的溅射的物理型腐蚀，而在体铝层获得化学腐蚀。溅射穿通顶部势垒层并在腐蚀穿底部势叠层之后减小掏蚀。这一三步工艺简单地由势垒层腐蚀过程中减少氯含量并在体铝或铝合金化学腐蚀过程中增加氯含量而实现。本发明还提供了布铝RIE各反应气体的最佳比率，从而诸如碳、钛化合物和氧化合物之类的不作为气态副产品被等离子室清除的腐蚀产物，在刻蚀过程中形成在金属中的沟槽上产生一个很精细的侧壁淀积层。反应气体包括氯、HCl和惰性气体(例如氮、氩、氦等)。此侧壁淀积约厚10-100埃，且能够在RIE过程中防止或降低铝或铝合金的各向同性腐蚀，从而提供良好确定的侧壁轮廓。用常规的侧壁剥离操作(例如CF4、氧、H2O汽)，很容易清除这一精细的侧壁淀积。由于厚的SW聚合物捕获更多的腐蚀金属线的Cl2，SW淀积厚得难以引起图2所示的侵蚀，因而SW淀积的精细厚度是本发明的一个重要特征。对于隔离线和嵌套线，厚的SW钝化也导致横穿芯片线宽的变化(ACLV)。借助于调整侧壁淀积的厚度，可减小ACLV。本工艺是无侵蚀的并产生一个不带任何“鼠蚀”的刻蚀轮廓。由于侵蚀会导致器件成品率和可靠性下降，故本工艺提供了改进的成品率和可靠性。
参照附图，从本发明最佳实施例的下列详细描述中，可更好地了解上述的和其它的目的、情况和优点，在这些附图中：
图1是一个扫描电镜(SEM)照片，示出了BCl3刻蚀中“鼠蚀”(侵蚀形式)的一个典型例子；
图2是一个SEM照片，示出了在现有工艺中产生的侵蚀的一个例子；
图3a示出了用于本工艺的三个步骤亦即清除顶部势垒层的“穿通”步骤、腐蚀体铝或铝合金(例如AlCu)的“主腐蚀”步骤、和清除底部势垒层的“过腐蚀”步骤的典型终点图形。
图3b、3c和3d是根据本发明被刻蚀的三部分金属化层的顺序剖面侧视图；
图4是一个SEM图，示出了由本发明的工艺产生的无侵蚀无鼠蚀的金属线侧壁；
图5是一个SEM图，示出了刻蚀之后的Al-Cu线的侧壁轮廓；
图6示出了在片子上金属线电短路成品率方面，用本发明的工艺得到的结果好于用传统工艺得到的结果；
图7a和7b是比较图，示出了以方块电阻(电偏置)测得的临界尺寸(CD)，表明根据本发明工艺用Cl2/HCl腐蚀的片子比传统Cl2/BCl3工艺有更紧密的分布。
已发现当采用变压器耦合的等离子体(TCP)用氯和氯化氢进行铝和铝合金刻蚀时，不需要高功率。在TCP中(常称为“感应耦合等离子体)，离化效率较好。在TCP中，用不同的功率源将功率加于刻蚀室的顶电极和底电极，而且电子在等离子体中的停留时间一般较长，导致更多的碰撞并产生更多的离子，使离子密度增高。用在TCP中的电极可改变并可包括线圈之类。TCP在本技术中是众所周知的，并使用TCP的设备，诸如LAM 9600，是市场有售的。但执行TCP的设备的卖主由于过去有关电容耦合等离子体的经验以及由于刻蚀铝和铝合金以外的衬底(例如聚酰亚胺和其它介质等)所需的要求而推荐高功率腐蚀(＞500W)。于是，本发明就特别仔细考虑了低功率(＜350W)低压(＜15mT)RIE刻蚀铝和铝合金的能力。
本工艺在Lam研究公司市售的LAM 9600设备中开发得到，其所用的典型气流速率和低功率列于下面的表1中：
            表1
  参数     数值
  压力(mT)     6-12
  顶部功率(W)     50-350
  底部功率(W)     50-350
  Cl2(标准立方厘米sccm)     25-150
  HCl(sccm)     10-100
  N2(sccm)     0-30
  电极温度(℃)     20-70
  He背面压力(T)     4-10
虽然表1提出刻蚀室的最佳压力范围为6-12，但应该知道，根据本方法的RIE可以在小于15mT的任何压力下进行。“顶部功率”参数是加于位于被刻蚀衬底上方的顶部电极的功率，而“底部功率”参数是加于位于被刻蚀衬底下方的底部电极的功率。顶部和底部功率的数值调节着等离子体中的离子密度和衬底上的离子撞击能量。应该知道，在刻蚀过程中，底部功率偶然可超过顶部功率，而且刻蚀过程的目的是借助于延长电子在等离子体中的停留时间而提高等离子体中的离子密度。氯离子的更长的停留时间导致更多的碰撞，增加了离子的产生，故提高了离子密度。可利用顶部和底部功率的变化来改变被刻蚀的金属化层的侧壁外形角度；但在最佳实施例中，顶部和底部功率将在RIE过程中调节成在被层蚀的金属化层中产生带有垂直侧壁的金属线。
虽然表1提出了电极的温度值和施加于被刻蚀的衬底的背面上的背面压力值，但应知道，根据应用情况，这些数值可改变成超过所提出的范围，而且不是实践本发明所要求的。此电极温度和背面压力仅仅用来显示本发明的RIE能够在低温和低压下实行；因此，此工艺也是经济的。
表1提出了有助于本发明的RIE刻蚀工艺的各向异性本质的Cl2、HCl和N2反应剂的数值。虽然在表1中氮被用作惰性气体，但显然诸如氩或氦之类的其它惰性气体也可以使用；但结果表明氮具有消除最终产品中的鼠蚀的优点。反应气体和惰性气体的范围已被选成使刻蚀过程中形成的不被抽出反应室的非气态副产物淀积在形成于金属化层中的沟槽的侧壁上并在侧壁上形成一个薄的保护层。
参照图3b、3c和3d可见，铝或铝合金金属化层通常由一个底部势垒层10、体铝或铝合金12以及上部势垒层14组成。势垒层10和14的厚度约为5-150nm，而体铝或铝合金12的厚度约为100-1500nm。最佳的铝合金包括那些Cu和/或Si重量比浓度为0-5％的铝合金。图形化的光抗蚀剂16或其它图形化掩模材料使区域18暴露。势垒层通常由钛或钛合金制成，但可由诸如钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)、铌(Nb)、锆(Zr)、铼(Re)、铪(Hf)以及金属氮化物(MeN)或金属硅氮化合物(Me-Si-N)之类的其它金属或金属合金(Me)制成。光抗蚀剂16可以是多种材料中的任何一种，而且在本发明实践中，利用常规光刻图形化了的深紫外(DUV)型或中紫外型光抗蚀剂由于刻蚀剂对Al-Cu金属相对于光抗蚀剂的选择性超过5而更为适用。可在市场上从Hoechst、Shipley、IBM、JSR和TOK以及AZ、Apex、JSR和TOK购得适当的光抗蚀剂。
当金属化层被刻蚀时，氯化铝之类的某些副产物被抽出反应室。但可能包括碳或氧或钛或其它材料的非气态副产物在沟槽形成时会在形成于区域18中的沟槽的侧壁上形成一个薄的淀积膜或层20。这些副产物来自光抗蚀剂与刻蚀剂的反应以及形成自势垒层14的刻蚀产物。图3c和3d示出了刻蚀穿过整个金属化结合层(10、12和14)时淀积的层20。
本发明的一个特别优点是在刻蚀过程中不需要或不采用磁场。由于不用磁场，就避免了引起片子或其它衬底上的器件遭受电荷损伤的危险。
本发明的一个特别情况是为了制作厚度约为10-100埃的极薄的侧壁淀积层20。薄的侧壁淀积层20的优点是由于层20比体材料12或势垒层10和14对反应离子更加抗刻蚀，故使区域18中的刻蚀更加各向同性。但若淀积层20太厚，则形成在区域18中的沟槽的侧壁由于较厚的侧壁捕获更多的引起侵蚀的氯而遭到侵蚀，而且较厚的侧壁也会引起更大的ACLV。
列于表1的惰性气体、氯和HCl的比率已通过经验测试加以选择，以便在表1所列的低压条件下产生厚度为10-100埃的淀积层20。在本发明一种情况的实践中，Cl2∶HCl∶惰性气体的比率为25-150∶10-100∶0-30较好，而Cl2∶HCl∶惰性气体的比率为50-100∶10-35∶10-20则最好。
本发明还仔细考虑了在刻蚀过程中用连接于刻蚀室的分光光度法或其它探测技术或者由刻蚀室引出的导管，可同时分析反应副产物，而且探测到的反应副产物可用于反馈控制回路以调节Cl2、HCl和惰性气体的比率，使淀积的层20不致太厚或太薄(例如10-100埃最好)。
也可将氢(H2)加入到等离子体中，数量范围最好是0-100sccm，这对于减少侵蚀是有用的。氢借助于与自由氯进行反应生成相对稳定的产物HCl，而减小侵蚀。此外，H2还借助于使SiO2和Si可淀积在侧壁上而提供更坚固的侧壁。
在刻蚀穿金属化层之后，可用蒸汽处理(H2O气)、氧等离子体或CF4处理之类的标准侧壁剥离手续来清除淀积的层20。图4和5分别示出了用本发明的刻蚀工艺刻蚀之后的无侵蚀且无鼠蚀的金属线侧壁和Al-Cu线侧壁轮廓。可以看到，此刻蚀工艺产生了带有垂直侧壁的亚微米线，其中很少有引起横跨芯片线宽变化(ACLV)的鼠蚀或侵蚀。
图3a-3d强调了本发明的另一种情况，其中由层10、12和14组成的金属化层主要在三个步骤中被腐蚀。具体地说，顶部势垒层14用离子轰击的更为“物理”的溅射型刻蚀工艺来刻蚀。其实现方法是降低等离子体中的Cl2，使势垒层14中的钛和/或氮化钛(Ti、TiN)主要由氯和HCl离子溅射作用来清除。例如，Cl2可降低到10-120sccm。根据势垒层14的厚度，进行短时间(例如5-25秒)但足以穿透势垒层14同时使抗蚀剂16的腐蚀尽量小的溅射。然后用全部反应气体(例如25-150sccm的Cl2)选择性地刻蚀体铝或铝合金12。铝以氯化铝和其它副产物的形式被清除，这更类似于化学腐蚀。用来刻蚀体铝或铝合金12的Cl2量最好大于刻蚀势垒层14过程中所用的量。由于等离子体优先于光抗蚀剂16而选择铝或铝合金12；从而获得选择性腐蚀。在铝或铝合金12被刻蚀穿之后，用此刻蚀铝或铝合金层时所用的最好降低了的低的Cl2流速(例如0-120sccm)的更为物理型的溅射反应或“离子轰击”来刻蚀通常含有Ti/TiN的底部势垒层10。这一刻蚀的最后一步不影响侧壁轮廓，且低Cl2的使用导致刻蚀穿通之后的掏蚀尽可能小。
可使用探测氯化铝和其它反应副产物的探测器来控制刻蚀过程中Cl2流量的上升与下降。或者可经验确定流通高低Cl2量的时间，并根据各层的厚度以及用在RIE室中的压力条件进行变化。对于不同的冶金，可能要求某些工艺优化。图3a示出了从LAM TCP室标准光学设备滤波二极管得到的一个典型的终点图形，其中信道A示出了势垒层10和14的刻蚀过程中的高的信号强度，而信道B示出了铝或铝合金的刻蚀过程中的高的信号强度。信道A和B被用来探测具有不同波长的反应副产物的发射(A滤波器＝703nm，表示Cl和Ti激发态，而B滤波器＝261nm，表示氯化铝激发态)。
图6示出了片子上的铝线用本发明的Cl2/HCl工艺腐蚀的情况下，几个轨道的金属“短路”产率。数据表明，当采用本发明的工艺时，得到了改进了的结果。
图7a和7b分别示出了用本发明的HCl/Cl2工艺以及Cl2/BCl3工艺刻蚀的铝线的方块电阻或“电偏置”(Ω)对线宽(μm)的关系。这些图表明用HCl/Cl2工艺时达到了相当紧密的分布。
虽然已用最佳实施例对本发明进行了描述，但本技术领域熟练人员知道，本发明可在所附权利要求的构思与范围之内作出修改而实施。

Claims (16)

1.一种让铝金属涂层图案化的方法，包括步骤：
将铝金属涂层置于刻蚀舱室；
通过分别向位于上述铝金属涂层上方和下方的电极通电的方式在刻蚀舱室内由Cl2，HCl和惰性气体建立等离子体，其中施加的功率低于350瓦，所述舱室压力低于15毫乇；并且
所述等离于体形成的离子和基团刻蚀所述铝金属涂层。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括：
将一种图案化材料涂覆到所述铝金属涂层顶部；和
使所述图案化材料图案化，以便让所述铝金属涂层的区域裸露。
3.根据权利要求2的方法，其中所述图案化材料是一种光刻胶并且用光刻进行所述图案化步骤。
4.根据权利要求1的方法，进一步包括从铝和铝合金中选择所述铝金属涂层的步骤。
5.根据权利要求4的方法，其中所述选择步骤进一步包括使用一种铝金属涂层，该涂层上用一种阻挡层涂覆至少一个表面。
6.根据权利要求5的方法，进一步包括选择所述阻挡层步骤，选自金属、金属氮化物和金属硅氮化物，其中金属选自Ta，Ti，Re，W，MO，Cr，Nb，Hf，V和Zr。
7.根据权利要求5的方法，进一步包括在所述建立等离子体期间和刻蚀期间调节所述等离子体中C12浓度的步骤，将该浓度调节到所述铝金属涂层刻蚀期间的第一浓度和所述阻挡层刻蚀期间比第一浓度低的第二浓度之间。
8.根据权利要求4的方法，其中所述选择步骤进一步包括用一种铝金属涂层，该涂层上用一种阻挡层涂覆其上表面和下表面，还进一步包括在所述建立等离子体期间和刻蚀期间调节所述等离子体中Cl2浓度的步骤，将该浓度调节到所述上表面上所述阻挡层刻蚀期间的第一浓度，所述铝金属涂层刻蚀期间比第一浓度高的第二浓度，和所述下表面上所述阻挡层刻蚀期间比所述第二浓度低的第三浓度之间。
9.根据权利要求8的方法，其中所述第一和第三浓度大约相同。
10.根据权利要求1的方法，进一步包括选择步骤，将位于所述铝金属涂层上方的所述第一电极选择施加50-350瓦的功率，将位于所述铝金属涂层下方的所述第二电极选择施加50-350瓦的功率。
11.根据权利要求10的方法，进一步包括在所述建立和刻蚀步骤期间调节所述第一和第二电极功率的步骤。
12.根据权利要求1的方法，进一步包括将所述惰性气体选择为N2的步骤。
13.根据权利要求12的方法，进一步包括控制Cl2，HCl和所述N2的比例的步骤，将比例控制到Cl2∶HCl∶N2为25-150∶10-100∶0-30。
14.根据权利要求13的方法，其中所述Cl2，HCl和所述N2的比例是Cl2∶HCl∶N2＝5-100∶10-35∶10-20。
15.根据权利要求1的方法，进一步包括在所述建立期间将氢气加入到所述刻蚀舱室的步骤。
16.根据权利要求1的方法，其中Cl2∶HCl∶惰性气体的比率为25-150∶10-100∶0-30，使得所述刻蚀步骤期间在所述铝金属涂层形成的沟槽上由刻蚀副产物形成的侧壁层的厚度为10-100。
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