Was ist Aluminiummattenätzen?

Aluminium und Aluminiumlegierungen als Verbindungsmaterialien für Chips werden häufig bei der Herstellung von Kupferverbindungen als logischer Backend-Prozess verwendet. Das Aluminiumpad ist normalerweise dicker, über 1 μm oder sogar bis zu 6 μm, und die Dicke des Fotolacks auf der oberen Schicht beträgt im Allgemeinen das 1–1,5-fache der Dicke von Aluminium, und die Größe ist größer und das Ätzen ist relativ einfach. Die Beschichtungsstruktur des Aluminiumpads vor dem Ätzen und nach dem Ätzen umfasst den Fotolack, die Aluminiumschicht und das darunter liegende Material. Dazu gehört das Entfernen der Aluminiumschicht und das Erstellen des gewünschten Musters.

Schritte und Parameter des Ätzprozesses

Das Ätzen von Aluminiumpads wird typischerweise in der LAM-2300-Versys-Metal-Kammer durchgeführt. Zu den Standardätzgasen gehören BCl₃ und Polymergas CH₄. Der Ätzprozess ist hauptsächlich in Hauptätzen (ME) und Überätzen (OE) unterteilt, und die Zeit des Hauptätzschritts wird durch den Endmodus der Erkennung des Aluminiumsignals gesteuert. Rasterelektronenmikroskopie (REM) wird verwendet, um die Form der Aluminiumlinien und der Seitenwände der Aluminiumpads zu überwachen.

Darüber hinaus kann das Ätzen von Aluminiumpads in den Schritt der offenen Hartmaske (BT), den Hauptätzschritt (ME), den ersten Schritt des Überätzens (OE1) und den zweiten Schritt des Überätzens (OE2) unterteilt werden. Die Quellenleistung, der Gesamtgasdurchfluss und der Prozessdruck jedes Schritts werden erhöht. Der BT-Schritt verwendet eine große Vorspannungsleistung und einen höheren Anteil an BCl₃, um die natürliche Oxidschicht (Al₂O₃) auf der Oberfläche des geätzten Aluminiums zu bombardieren. Der ME-Schritt erhöht hauptsächlich die Ätzrate durch Erhöhung des Prozessdrucks, der Gesamtgasdurchflussrate und der Quellenleistung. Der OE1-Schritt wird verwendet, um das restliche Aluminium und seine untere TiN-Schicht zu ätzen; Im OE2-Schritt werden die Vorspannungsleistung und das BCl₃-Flussverhältnis erhöht, um die untere Siliziumoxidschicht zu bombardieren.

Herausforderungen und Belastungseffekte beim Ätzen

Bei der Prozessentwicklung der 65-nm-/90-nm-Knotenlogiktechnologie stellt der Unterschied in der Musterdichte eine Herausforderung für den Ätzprozess dar, hauptsächlich aufgrund von Makro- und Mikroätzlasten. Die makroskopische Belastung hängt mit den unterschiedlichen Transmissions-(TR)-Korrosionsfenstern des Fotolacks beim Post--Ätzen des Aluminium-Pads zusammen, während die mikroskopische Belastung mit der morphologischen Belastung zwischen dem Aluminiumdraht (dicht) und dem Aluminium-Pad (spärlich) zusammenhängt. Eine niedrige Durchlässigkeit erzeugt beim Ätzen mehr Polymer, schützt die Aluminiumseitenwand, verstärkt aber die Mikrobelastungseffekte, was zu einem inkonsistenten Verbindungswiderstand führt.

Die Durchlässigkeit hängt stark linear von der Ätzendzeit ab. Je höher die Durchlässigkeit, desto länger die Ätzendzeit und desto schwerwiegender der Korrosionsfehler. Bei einem Transmissionsgrad unter 70 % treten keine Korrosionsfehler auf, während bei hohem Transmissionsgrad die CH₄-Durchflussrate optimiert werden muss, um den Polymermangel auszugleichen.

 

Prozessoptimierung und Gasauswahl

Um Makro- und Mikrolasteffekte auszugleichen, muss die Kombination aus Transmission und CH₄-Durchfluss optimiert werden. Eine Erhöhung der CH₄-Durchflussrate kompensiert das fehlende Polymer bei hoher Durchlässigkeit, aber eine zu hohe Durchflussrate kann dazu führen, dass zu viel Seitenwandpolymer vorhanden ist, Chlorid adsorbiert und Feuchtigkeit absorbiert, was zu Korrosionsschäden führt. Experimente zeigen, dass die CH₄-Durchflussrate T für einen Transmissionsgrad von weniger als 70 % ausreicht. Für den Fall einer Durchlässigkeit von 96,2 % wird die CH₄-Durchflussrate auf 2,5 T optimiert.

Beim Mikrobelastungseffekt von Aluminiumdraht und Aluminiumpad gibt es mehr Polymere im Aluminiumdrahtbereich und die Seitenwände sind stärker verjüngt. Die Seitenwände der Aluminiumpads sind aufgrund des fehlenden Polymerschutzes anfällig für Korrosion. Durch Anpassen der Vorspannungsleistung und des BCl₃-Gasverhältnisses können die Bedingungen für die Polymerabscheidung optimiert werden, was zu steileren und geraderen Seitenwänden des Aluminiumdrahts und weniger Rückständen führt.

Der Vergleich verschiedener Schutzgase zeigte, dass die Seitenwände bei Verwendung von N₂ und CHF₃ rau, fehlerhaft und leicht korrodierbar waren. Bei Verwendung von CH₄ ist die Korrosionsmorphologie besser und es treten weniger Defekte und Korrosion auf.

Häufige Probleme und Lösungen

Häufige Probleme beim Ätzen von Aluminiumpads sind raue Aluminiumseitenwände und eine abnormale Grasmorphologie an der Unterseite nach dem Ätzen. Die Rauheit der Seitenwand wird hauptsächlich durch die unsaubere Entfernung des Seitenwandpolymers oder die ungleichmäßige Polymeransammlung während des Ätzvorgangs verursacht. Dies kann durch Anpassen der Umgebung für die Erzeugung des Seitenwandpolymers oder durch Reduzieren des Polymers behoben werden, z. B. durch Zugabe von He zur Verdünnung während des Ätzvorgangs oder durch Erhöhen der Cl₂-Durchflussrate. Die grasartige Morphologie an der Unterseite ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass das obere Aluminiumoxid nicht sauber geätzt wird, was beim Maskenschutz beim Aluminiumätzprozess eine Rolle spielt. Die Lösung besteht im Allgemeinen darin, die Intensität und Zeit des BT-Schrittätzens zu erhöhen, um die natürliche Oxidschicht auf der Oberfläche vollständig zu ätzen.

Die Technologie zum Ätzen von Aluminiumpads erfordert eine umfassende Regulierung der Durchlässigkeit, der Gasdurchflussrate, der Leistungsparameter und der Schrittzeitsteuerung, um die durch Änderungen in der Musterdichte verursachten Belastungsherausforderungen zu bewältigen und den Seitenwandschutz und die Ätzqualität sicherzustellen. Durch die Optimierung der Prozessbedingungen und der Gasauswahl können Fehler wirksam reduziert und die Zuverlässigkeit und Konsistenz der Chipherstellung verbessert werden.