Al-Si合金RIE参数选择

摘要：采用正交试验法对二手RIE刻Al设备A-360进行工艺参数选择试验，并以均匀性、刻蚀速率、 对PR选择比为评价指标。试验中发现RF功率是影响各评价指标的主要因素。通过进一步优化工艺，制定出了均匀性小于3%，刻蚀速率高于300nm/min，对PR选择比好于1.8的刻Al实用工艺。

关键词：反应离子刻蚀；正交试验；Al刻蚀；刻蚀速率

中图分类号： TN305.2文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2004)11-0019-03

1 引言

由于Al及其合金具有较高的导电率、较好的对下层衬底或介质的粘附性、易于沉积和良好的延展性等性能而被广泛地用作半导体器件及VLSI的互连 金属。因此，Al及其合金的刻蚀是半导体工艺中非常重要的一环。目前，多数工艺线采用反应离子刻蚀(RIE)技术对Al或其合金进行干法刻蚀，这是一种化学反应和物理离子轰击相结合的Al刻蚀技术^[1]。

在RIE Al刻蚀的工艺中，RF电源频率为13.56MHz，主要选用氯基刻蚀剂，比如BCl3, Cl₂, CCl₄, SiCl₄, HCl等。BCl₃是Al刻蚀剂，特别是步对自然氧化铝的刻蚀，到目前为止BCl3仍然是为理想的。但由于BCl₃的分解度较低，刻蚀Al的速率就比较低，通常都是与Cl₂或SiCl₄一 起混合使用。Cl₂也是Al刻蚀剂，应当注意的是Cl₂对重掺杂的硅以及多晶硅也有极强的刻蚀作用。CCl₄是早的RIE刻蚀剂，与BCl₃作用相近，但由于其反应生成的聚合物中常常含有Cl, 会对Al产生后腐蚀，以及CCl₄的分解产物C₂Cl₂是致癌物，所以CCl₄已不再用于RIE刻蚀。SiCl₄ 对光刻胶有很好的选择性，对自然氧化铝的刻蚀稍逊于BCl3和CCl₄，对Al的刻蚀速度较慢，需与BCl3或Cl₂混合使用^[2]。

正交试验法也被称作田口试验法(Taguchi method)，是一种科学地安排与分析多因素多水平试验的方法^[3]。采用正交试验法，虽然所做的试验次数比较少，但同样可以明确地得出因素的主次，因素与水平的关系，好的因素水平组合以及进一步试验的方向^[4]。

本文主要针对近年来国内引进的二手RIE刻Al设备中有的因超期服役造成刻蚀系统的参数变化，原有的刻蚀程序有的已不能完全满足工艺要求的情况，采用正交试验的方法，对工艺参数进行分析，制定出可行的优化工艺。

2 试验与结果

试验设备为美国Plasma Therm公司1987年出产的In Line Waf , r Etcher A-360铝刻蚀机，该刻蚀机有三个腔室，分别为进片腔、主腔、出片腔。该设备采用单片处理方式在主腔中进行刻蚀。主腔中可引入四路气体：Cl₂，BCl₃，CHCl₃和N₂。试验样品为光刻后的溅Al单晶硅片，硅片直径125mm，靶材为含硅1%的AlSi合金，纯度99.999%，Al膜厚度为1mm，光刻胶为6112正性胶，涂胶厚度约为1mm，经120℃，30min烘胶，UV固胶。

采用正交试验法，首先选定4个主要影响刻蚀的因素，分别为：RF功率、Cl₂、BCl₃和CHCl3。每个因素又分为三个水平（见表1），选用L₉(4³)正交试验表进行9次试验。试验过程中还有一些工 艺参数被定为常数，如主腔室温度为70℃，上下电极温度为45℃，N₂流量为25sccm，主刻蚀时间为90s（以便测量台阶高度）。A-360铝刻蚀机只能设定RF功率值，等离子体的加速电压是随负载的变化而变化的，以保持RF输出功率为设定值，反射功率为值，反射功率被控制在0-10W。主腔室压力为26.7Pa。刻蚀前，用不着a-200型台阶仪测量胶的厚度，刻蚀结束时，再用a-200型台阶仪测量去胶前后的台阶高度，分别得到刻蚀前后的胶厚和刻Al深度，依次计算出样品的均匀性、刻蚀速率和对光刻胶选择比。采用十字法5点测量，计算出5点的平均值，试验结果见表2。

由表2的极差结果可以看出，影响均匀性、刻 蚀速率和PR选择比的因素主次顺序与水平分别为A3C3D3B3，A3B3D1C1和A1D2B2C2。在四个因 素中，RF功率是影响刻蚀均匀性、刻蚀速率和对PR选择比三者的主要因素，如果对PR选择比定在1.7左右，可以选择A3,这样可以得到较高的刻蚀速率；如果要兼顾高的PR选择比，则应选A2；Cl₂流量应选B3；BCl₃流量选C3；CHCl₃流量选D2或D3。至此我们得到三个较优水平组合：A3B3C3D2，A2B3C3D2和A2B3C3D3。以这三个 较优水平组合继续试验，其结果见表3。

3 讨论与结论

从表2可以看出，RF功率对三项指标的影响是的，这里我们尚未考虑RF引入的轰击损伤。因此在保证刻蚀的各向异性和合适的刻蚀速率的前 提下，RF功率不易过高。RF功率过高带来的另一个副作用是会使光刻胶皱胶，造成胶下Al膜的刻蚀。Cl₂在本试验中，主要影响刻蚀速率，对均匀 性影响较小。BCl₃流量的增加对刻蚀速率下降影响 是很小的，主要是提高了刻蚀的均匀性。BCl₃的产物硼或硼化物（碳化硼和氧化硼）可对侧墙起到保护作用。BCl3在等离子体中发射紫外光(UV)，可以在线固化光刻胶，改善光刻胶对温度的稳定性。但BCl₃趋于在硅片表面形成颗粒，这有可能成为质量隐患^[2]。因此，BCl₃的流量是需要仔细控制的量。刻蚀中还加入了N₂，它是轰击气体，也可以稀释刻蚀剂，起到调节刻蚀速率的作用，另外，N₂还起到了清洁管道和腔体，减少表面的颗粒沾污的作用。CHCl3在刻蚀过程中会形成-CN-聚合物，提供侧墙保护所需的碳。实验中还可以看到增加CHCl₃流量，减缓了刻蚀速度，增加了对PR的选择比。

四因素三水平的正交试验，只需用9次试验，便可得到与四因素三水平完全一样的结果，而后者则需做81次试验，这便是采用正交试验法选取工艺参数的原因。试验设计时，因素的选取首先要分析清楚各因素的作用，将主要的因素排入正交表中，稍次要因素列为常数。在用A-360进行AlSi合金的干法刻蚀中，主要因素是RF功率和刻蚀剂。水平的选取则应以现有的工艺参数为基础，同因素各水平之间不可靠得太近，这样会使结果没有显著差别，对优化工艺没有指导作用；也不可离得太远，那样会造成系统超压，皱胶等现象得不到可靠的试验数据。试验结果应便于测量，可以重复，不致引入较大的测量误差。

表3所得出的结果均好于现有工艺，在线宽损失(CD)、表面清洁度、Cl后腐蚀等指标方面，也满足工艺要求。三个较优水平组合可以分别用于主刻蚀程序中，也可用于刻蚀中的不同刻蚀步骤，如预刻蚀、主刻蚀或过刻蚀。根据这三个水平组合还可进一步试验，得出优化的实用工艺。

采用正交试验的方法，对二手A-360刻蚀设备进行AlSi合金的RIE刻蚀试验，可以用较短的时间，快速得到试验结果，分析清楚各因素和水平对 刻蚀工艺的影响，选出较优水平的刻蚀工艺参数组合。试验中发现RF功率是影响各评价指标的主 要因素，通过优化工艺，得到了刻蚀均匀性小于3%，刻蚀速率高于300nm/min，对PR选择比好于 1.8的实用刻Al工艺，其结果优于现有工艺。