Metal Corrosion

[4] Corrosion on Plasma Etched Metal Lithography from Processing and Environmental Factors. K.E.Mautts, Electrochemical Society Proceedings, Vol. 97-31, page 240, 1997. [5] Characterization of Metal Pattern Density and Metal Stack Composition on Chlorine Residues from Metal Etch Process. S. Y. Loong et al, SPIE Conference on Multilevel Interconnect T[6e]cPhrneovleongtyio, nVolf. C35o0rr8o,sSioannDtaaCmlagrae, ACfafelicfotirnngiaP. lSaespmteamEbtcehre1d99A8l .Alloy Lithography. G. Gebara et al. Proceedings of the 10th Symposium on Plasma Processing. Dielectric Science and Technology and E[7l]eRcterodnuictiDoniviosfioCno, rVroosl.io9n4-D2e0f,epcatsgeon42M1e,t1a9l 9A4ll.oy Interconnections. G. Gebara and K. Mautz, VMIC Conference, page 326, June 1993.
一般90 nm不同产品在铝金属刻蚀前的光刻时，有不同的光罩透光率，从50%到98%不等。尽管它们 的透光率不同，但是同一生产线上的产品绝大部分采用相同的铝金属和光刻胶厚度。由于不同的透光 率产品，光刻胶的量不同，侧壁的面积也不同，所以他们的侧壁钝化效果也不一样，聚合物生成量也 不一样。对于低透射率产品，防止它生成过量聚合物；对于高透射率产品，要提高它侧壁钝化的效果 。分析清楚不同透射率产品铝金属的腐蚀的生成原因，我们就可以采取相应措施解决之了。
实验结果分析
由此实验结果可见，铝金属层厚度和光刻胶厚度相同的情况下，不同的晶圆透射率表现出不同的铝金 属腐蚀缺陷状况。由 Recipe1的结果可见：低透射率的产品在主刻蚀步骤时，侧壁生成大量的聚合物 来保护侧壁，但是过量的聚合物会混入大量的氯离子，从而降低铝金属的耐腐蚀性。高透射率的产品 在高能量偏置射频的作用下，侧壁正好生成足够的聚合物来保护侧壁，足够的侧壁钝化能形成良好的 耐腐蚀性，从而避免铝金属被腐蚀。由Recipe2的结果可见，低透射率的产品在低能量偏置射频的作 用下，侧壁却能生成足够的聚合物来保护侧壁，足够的侧壁钝化避免了铝金属被腐蚀。而高透射率的 产品在低能量偏置射频的作用下，侧壁却未能生成足够的聚合物来保护侧壁；另外在接下来的过刻蚀
光罩透射率对铝金属蚀刻腐蚀缺陷的影响 铝金属蚀刻工艺中最重要的缺陷是作铝者金：属姚残涛锋留，和上铝海金交属通大腐学蚀微。电铝子学金院属残留往往取决蚀刻腔体的环境， 而铝金属腐蚀往往要复杂的多，而造成起复杂性的一个重要原因就是在干法蚀刻工艺（主蚀刻步骤， 图1）中，它是一个使用氯等离子体的金属蚀刻工艺 (参见公式1) 。 Al + Cl2 => AlCl3 (可挥发性,主蚀刻气体) (1) BCl3=> BCl3+ + BClx(轰击) (2) BClx + Cl => BClx+1 (消耗侧壁上的氯) (3) CHF3 /CH4 =>生成聚合物层保护侧壁 (4)
所以不同的透射率的产品在铝金属蚀刻时，同样的铝金属腐蚀，但是引起腐蚀的原因是不同的。我们 要针分对析低出透正射确率的的成产因品，，并主采要取防相止应的得是措过施量。 侧壁聚合物的生成，可采取的措施有： 1）降低偏置射频功率，从而减少侧壁聚合物的生成。 2) 减少光刻胶的厚度，保证刻蚀后光刻胶残留的条件下，减少侧壁聚合物的生成。 3) 减少CHF3 /CH4等气体的流量，从而减少侧壁聚合物的生成。 4) 减少过蚀刻（Over Etch）时间，从而减少侧壁聚合物的生成,但要保证足够的氧化层损耗。 针对高透射率的产品，主要防止的是侧壁钝化的不足，即增加聚合物的生成，可采取的措施有： 1) 增加光刻胶的厚度，增加侧壁聚合物的生成。 2) 增加CHF3 /CH4等气体的流量，从而增加侧壁聚合物的生成。 3) 增加过蚀刻（Over Etch）时间，增加侧壁聚合物的生成。 结论
所以，不同的透射率产品在铝金属刻蚀时，往往会发生侧壁聚合物过量和侧壁聚合物太少引起的钝化 不足两种问题。前者由于混入大量氯离子，可加剧铝金属腐蚀；后者由于侧壁钝化不足，铝金属的耐 腐蚀性降低。其实不同的透射率产品在铝金属蚀刻时，影响的主要是侧壁聚合物的生成。由于在不外 加CHF3/CH4等侧壁聚合物反应物的情况下，侧壁聚合物的来源主要是光刻胶，低透射率的产品有大 量的光刻胶参加反应，往往能获得足够的聚合物来实现侧壁钝化；高透射率的产品，由于参加反应的 光刻胶较少，则获得不了足量的反应物。对于高透射率产品来说，它的侧壁面积比起低透射率产品来 解决方案分析 一1）般降来低说侧在壁干聚法合刻物蚀，工侧艺壁步钝骤化中的，不提足高降铝低金了属耐耐腐腐蚀蚀性能。力侧的壁方聚法合有物以量下应几当种足（以表保2护）侧。壁, 但过量的聚 合23））物增 增会加加混过氯合蚀气大刻流量（量的更o氯v大e，r的E从T氯而C气H降）流低步量腐骤；蚀时更性间多。反的应氯时残间留；, 降聚低合耐物腐量蚀增性加，，刻降蚀低时耐间腐比蚀起性氯。气流量有更重要影 响4）。降低Chuck 温度；降低耐腐蚀性。尽管侧壁钝化更高效, 但绝大部分测试显示低chuck温度降低了 铝金属耐腐蚀性。 (< 45°C)
参考文献 [1] Effect of Post Al Treatment on Corrosion: Determination of Residual Chlorine by Small Area Ion Chromatography. C.H. Lee et al, Lam Research Internal Report. October 21, 1997. [2] Cl Level Effects on Corrosion for Various Metallization Systems. N. Parekh and J. Price, J. Electrochem. Soc. Vol. 137, No 7. July 1990. [3] RIE-Related Sidewall Voiding in Al-Cu Alloy Metallization for Ics. T.H.Deubenepeck and H.K.Lee. IBM Technology Products, Internal Report, Vermont, 1996.
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由于铝金属刻蚀一般以光刻胶作为掩膜层，所以在铝金属刻蚀中光罩透射率反映的就是晶圆刻蚀面积 与晶圆总面积的比率。在实验中发现，铝金属刻蚀腐蚀缺陷与晶圆的光罩透射率有很大的关系。 实验资料和结果 晶圆检测和缺陷分类 以90nm产品铝金属刻蚀为例，90nm产品的铝金属刻蚀的光罩透射率一般从50%到98%不等。我们以 透射率为70%、90%两种产品为实验对象，这两种产品的铝金属层厚度和光刻胶厚度相同，在相同条 件下，评估腐蚀缺陷的情况。铝刻蚀工艺通常要求通过“24小时wet box测试”，这是在比周围环境更恶 劣的湿气条件下进行的加速测试。有时wet box腐蚀测试可以用在周围环境下的测试代替，这就要求经 过更长的时间，腐蚀不会出现（通常是72小时，或者更长），我们的实验方法采用的是后者。 在实验中，我们使用两个不同的主蚀刻工艺进行实验；Recipe1为高能量射频工艺（偏置射频功率 500w），Recipe2为低能量射频工艺（偏置射频功率400w）。在实验中，每隔24小时使用AMAT Complus 3T Dark Field扫描晶圆缺陷一次(图4)，然后在电子显微镜下(SEM)检查缺陷类型，确认是否 是铝金属腐蚀缺陷。 铝金属腐蚀缺陷分类结果 在Recipe1高能量射频工艺主蚀刻工艺条件下，低透射率为70%的产品在48小时后发现铝金属腐蚀， 未能通过测试；高透射率为90%的产品在72小时后未发现铝金属腐蚀，顺利通过测试。 在Recipe2低能量射频工艺主刻蚀工艺条件下，低透射率为70%的产品在72小时后未发现铝金属腐 蚀，顺利通过测试；高透射率为90%的产品在48小时后发现铝金属腐蚀，未能通过测试。（表1）
由于氯气参与了主蚀刻工艺，并且是主要的铝金属蚀刻气体，必然的会有氯的残留存在于反应生成物 中。而且事实也是如此，一部分的氯残留在反应生成的聚合物中。并且大部分的氯残留在反应后残留 的光刻胶中。 Al + Cl2=>AlCl3 （5） AlCl3 + H2O=>Al(OH)3 + HCl （6） HCl + Al =>AlCl3（7） 有上述化学公式（5）、（6）、（7）可见，只要有水气和晶圆接触，就可以发生铝金属腐蚀。在有 水气不断参与反应的环境中，这种腐蚀反应将一直循环下去，造成的危害是极其严重的。由于铝线或 铝PAD是作为和封装相连的部分，一旦铝线或铝PAD发生腐蚀（图2、3），对后段的封装会增加极大 的难度，并影响成品的可靠性。 i