ALSI或ALSICU刻蝕后硅渣殘留去除方式的研究

陳定平　李方華　李明　朱愛兵　張銳

摘 要： 半導體器件制造中會用到ALSI或ALSICU做金屬連線，ALSI或ALSICU里一般含有0.5%～1%的Si，目的是防止ALSI互融造成PN junction spiking，但引入Si、金屬連線刻蝕后會有硅渣析出，刻開區分布不規則的小黑點，影響表觀。比較和分析了目前半導體制造行業幾種去硅渣方式的機理和優缺點，同時提出一種新的高效的干法去硅渣方式。在上述分析的基礎上，標準化了去硅渣工藝，提出的去硅渣標準流程，對半導體制造具有廣泛的指導作用。

關鍵詞： 半導體生產； 金屬刻蝕； 干法去硅渣； 濕法去硅渣

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0098?03

0 引 言

在半導體生產[1]過程中，金屬連線[2]一般使用ALSI或ALSICU時摻0.5%～1%的Si，這樣可以防止襯底Si與金屬AL接觸時產生ALSI互融、損傷器件的結。這是摻入Si的好處，但當ALSI或ALSICU干刻或濕刻成線條時，Si粒會在刻開區殘留下來，原因是金屬干刻（Dry Etch）或濕刻（Wet Etch）時氣體或酸液無法與SI徹底反應，刻開區容易留下硅渣殘留。

ALSI[3]或ALSICU刻蝕后的硅渣殘留，呈小黑點狀，分布在圓片表面，非常難看，雖不影響電參數，但也是表觀缺陷，需要加以解決。

1 金屬干刻、濕刻后的硅渣狀況

（1） 非薄場鋁柵的金屬干刻。不同半導體產品的ALSI或ALSICU下介質層厚度不同，干刻的過刻量也不同，干刻后的硅渣狀況也不一樣[7]。比如CMOS、BCD、DMOS 、Schottky、IGBT、厚場鋁柵等產品[8]的鋁下介質層厚，一般在8 kA以上，金屬干刻時可加大過刻量（30%左右），增加氧化層損失量，對硅渣釜底抽薪、可掃除硅渣殘留（見圖1）。所以非薄場鋁柵類的金屬干刻后無需去硅渣。

加大干刻過刻量后無硅渣

（2） 薄場鋁柵的金屬干刻。薄場鋁柵因為成本低，光刻層數少，鋁下介質層（ILD）是生長柵氧時形成，因此鋁下介質層（ILD）很薄、最薄500 A左右，金屬干刻時過刻量不能大（10%左右）、氧化層損失控制在300 A左右，這樣就有少量的硅渣殘留下來。所以薄場鋁柵的金屬干刻后需要去除少量硅渣。如圖2所示。

（3） 金屬濕刻。Bipolar，DMOS和IGBT等產品由于線條寬，有時候金屬連線是全濕刻的，腐蝕ALSI或ALSICU的酸不與SI反應，所以金屬濕刻后留下大量的硅渣（見圖3）。所以金屬濕刻后，需要去除大量的硅渣。

2 目前常用的去硅渣方式

2.1 濕法去硅渣

薄場鋁柵的ALSI或ALSICU的氧化層薄，金屬干刻不能過刻太多，會留下少量硅渣殘留，此時用反應溫和的去硅渣液去除最合適，Si反應速率在200 A/min左右， OX反應速率在15 A/min左右，選擇比高達14以上。酸液比例大約HAC 10%（W）：HNO3 2%（W）：H3PO4 71%（W），HBF4 3%（W）室溫作業，其對ALSI，ALSICU以及對Si、OX的速率如表1所示。

表1 濕法去硅渣液速率對照表

硝酸先氧化硅渣生成二氧化硅，然后氟硼酸分解的HF與二氧化硅反應，醋酸對PH起緩沖作用。反應式大致為：Si+HNO3+HF→H23SiF6+NO+H2O。

濕法去硅渣反應溫和，Si/OX選擇比高達14，適合要求氧化層損失要求少的去硅渣工藝。與干法去硅渣比，濕法去硅渣的速率小、去硅渣下氧化層的速率更小，不適合濕刻后硅渣多的狀況，硅渣特別多時用濕去硅渣液往往去不凈。

2.2 干法去硅渣

金屬濕刻時，ALSI或ALSICU里的Si不與酸液反應，金屬濕刻后會留下大量的硅渣殘留。濕法去硅渣液溫和，去硅渣效果差；要去凈大量硅渣殘留，需用干法去硅渣（Plasma Si Removal），干法去硅渣時Si反應速率是濕法的9倍，可迅速去除去硅渣殘留，但Si/OX選擇比下降（14降到1.5），氧化層損失會多些，因此不適合薄場鋁柵產品。干法去硅渣工藝，要點有兩個方面：各向同性或近乎各向同性—這樣可以去除高臺階底部的硅渣，滿足工藝要求；Si∶OX選擇比至少大于1.5，硅渣去凈了但氧化層損失不會太大。

目前業界常用Gasonics AE2001、以CF4/O2為主刻氣體干法去硅渣，速率、選擇比如表2所示。AE2001是用微波電離CF4、O2產生Plasma，然后傳送到晶片表面，進行Isotropic Etch，反應式大致為：

3 新開發的干法掃去硅渣

AE2001以CF4/O2為主刻氣體干法去硅渣，Si/OX選擇比1.5左右，全濕法金屬濕刻后AE2001掃100 s可去凈硅渣，此時Si Loss 2 900 A左右、OX Loss 1 800 A左右。為減少氧化層損失，在Lam590以SF6為主刻氣體實施干法掃硅渣，Si/OX選擇比提高到3.2左右，50 s可去凈硅渣，此時Si Loss 3 428 A左右、OX Loss 1 035 A左右（見圖4，表3）。

SF6的化學活性大，與硅渣的反應速率高、近乎各向同性，與氧化層的反應速率一般，反應式大致為：

SF6+Si?> SiF4+S（易揮發）

Lam590與SF6的組合，去除硅渣殘留的速率高1倍以上，Si/OX選擇比也高1倍以上，去硅渣效果非常好，效果見圖4。

表3 Lam590干法去硅渣速率對照表 A/min

4 結 論

（1） ALSI或ALSICU因摻有0.5～1%的Si，金屬濕刻或金屬干刻后均會或多或少地存在硅渣殘留。

（2） 金屬濕刻后會留下大量硅渣，需要用干法去硅渣去除。AE2001（CF4）和Lam590（SF6）均可去硅渣，但后者去硅渣速率和Si/OX選擇比均優于前者。

（3） 金屬干刻后也會留下硅渣殘留，如金屬下介質層厚（>8 kA）可增加干刻過刻量（>30%）、增加氧化層損失去除硅渣。如金屬下介質層薄（<500 A），干刻過刻量不可過大（10%左右）、然后要用濕法去硅渣液去除硅渣。綜上所述，根據不同產品的工藝特征和要求，標準化后的去硅渣工藝如表4所示。

表4 標準化后的去硅渣工藝

5 結 語

本文比較和分析了目前半導體行業幾種去硅渣方式的機理和優缺點，并提出了一種新的高效干法去硅渣方式。在分析幾種方式的基礎上，標準化了去硅渣工藝同時提出硅渣標準化流程。

參考文獻

[1] QUIRK Michael， SERDA Julian.半導體制造技術[M].韓鄭生，譯.北京：電子工業出版社，2009.

[2] 李希有，周衛，張偉，等.Al?Si合金RIE參數選擇[J].半導體技術，2004，29（11）：19?21.

[3] 龍芋宏，史鐵林，熊良才.準分子激光電化學刻蝕金屬的研究[J].半導體技術，2008，34（z1）：227?230.

[4] 許高斌，皇華，展明浩，等.ICP深硅刻蝕工藝研究[J].真空科學與技術學報，2013，33（8）：832?835.

[5] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering， 1997， 33（1/4）： 85?100.

[6] 孫偉鋒，張波，肖盛安，等.功率半導體器件與功率集成技術的發展現狀及展望[J].中國科學：信息科學，2012，43（12）：1616?1630.

[7] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering， 1997， 33（1/4）： 85?100.

摘 要： 半導體器件制造中會用到ALSI或ALSICU做金屬連線，ALSI或ALSICU里一般含有0.5%～1%的Si，目的是防止ALSI互融造成PN junction spiking，但引入Si、金屬連線刻蝕后會有硅渣析出，刻開區分布不規則的小黑點，影響表觀。比較和分析了目前半導體制造行業幾種去硅渣方式的機理和優缺點，同時提出一種新的高效的干法去硅渣方式。在上述分析的基礎上，標準化了去硅渣工藝，提出的去硅渣標準流程，對半導體制造具有廣泛的指導作用。

關鍵詞： 半導體生產； 金屬刻蝕； 干法去硅渣； 濕法去硅渣

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0098?03

0 引 言

在半導體生產[1]過程中，金屬連線[2]一般使用ALSI或ALSICU時摻0.5%～1%的Si，這樣可以防止襯底Si與金屬AL接觸時產生ALSI互融、損傷器件的結。這是摻入Si的好處，但當ALSI或ALSICU干刻或濕刻成線條時，Si粒會在刻開區殘留下來，原因是金屬干刻（Dry Etch）或濕刻（Wet Etch）時氣體或酸液無法與SI徹底反應，刻開區容易留下硅渣殘留。

ALSI[3]或ALSICU刻蝕后的硅渣殘留，呈小黑點狀，分布在圓片表面，非常難看，雖不影響電參數，但也是表觀缺陷，需要加以解決。

1 金屬干刻、濕刻后的硅渣狀況

（1） 非薄場鋁柵的金屬干刻。不同半導體產品的ALSI或ALSICU下介質層厚度不同，干刻的過刻量也不同，干刻后的硅渣狀況也不一樣[7]。比如CMOS、BCD、DMOS 、Schottky、IGBT、厚場鋁柵等產品[8]的鋁下介質層厚，一般在8 kA以上，金屬干刻時可加大過刻量（30%左右），增加氧化層損失量，對硅渣釜底抽薪、可掃除硅渣殘留（見圖1）。所以非薄場鋁柵類的金屬干刻后無需去硅渣。

加大干刻過刻量后無硅渣

（2） 薄場鋁柵的金屬干刻。薄場鋁柵因為成本低，光刻層數少，鋁下介質層（ILD）是生長柵氧時形成，因此鋁下介質層（ILD）很薄、最薄500 A左右，金屬干刻時過刻量不能大（10%左右）、氧化層損失控制在300 A左右，這樣就有少量的硅渣殘留下來。所以薄場鋁柵的金屬干刻后需要去除少量硅渣。如圖2所示。

（3） 金屬濕刻。Bipolar，DMOS和IGBT等產品由于線條寬，有時候金屬連線是全濕刻的，腐蝕ALSI或ALSICU的酸不與SI反應，所以金屬濕刻后留下大量的硅渣（見圖3）。所以金屬濕刻后，需要去除大量的硅渣。

2 目前常用的去硅渣方式

2.1 濕法去硅渣

薄場鋁柵的ALSI或ALSICU的氧化層薄，金屬干刻不能過刻太多，會留下少量硅渣殘留，此時用反應溫和的去硅渣液去除最合適，Si反應速率在200 A/min左右， OX反應速率在15 A/min左右，選擇比高達14以上。酸液比例大約HAC 10%（W）：HNO3 2%（W）：H3PO4 71%（W），HBF4 3%（W）室溫作業，其對ALSI，ALSICU以及對Si、OX的速率如表1所示。

表1 濕法去硅渣液速率對照表

硝酸先氧化硅渣生成二氧化硅，然后氟硼酸分解的HF與二氧化硅反應，醋酸對PH起緩沖作用。反應式大致為：Si+HNO3+HF→H23SiF6+NO+H2O。

濕法去硅渣反應溫和，Si/OX選擇比高達14，適合要求氧化層損失要求少的去硅渣工藝。與干法去硅渣比，濕法去硅渣的速率小、去硅渣下氧化層的速率更小，不適合濕刻后硅渣多的狀況，硅渣特別多時用濕去硅渣液往往去不凈。

2.2 干法去硅渣

金屬濕刻時，ALSI或ALSICU里的Si不與酸液反應，金屬濕刻后會留下大量的硅渣殘留。濕法去硅渣液溫和，去硅渣效果差；要去凈大量硅渣殘留，需用干法去硅渣（Plasma Si Removal），干法去硅渣時Si反應速率是濕法的9倍，可迅速去除去硅渣殘留，但Si/OX選擇比下降（14降到1.5），氧化層損失會多些，因此不適合薄場鋁柵產品。干法去硅渣工藝，要點有兩個方面：各向同性或近乎各向同性—這樣可以去除高臺階底部的硅渣，滿足工藝要求；Si∶OX選擇比至少大于1.5，硅渣去凈了但氧化層損失不會太大。

目前業界常用Gasonics AE2001、以CF4/O2為主刻氣體干法去硅渣，速率、選擇比如表2所示。AE2001是用微波電離CF4、O2產生Plasma，然后傳送到晶片表面，進行Isotropic Etch，反應式大致為：

3 新開發的干法掃去硅渣

AE2001以CF4/O2為主刻氣體干法去硅渣，Si/OX選擇比1.5左右，全濕法金屬濕刻后AE2001掃100 s可去凈硅渣，此時Si Loss 2 900 A左右、OX Loss 1 800 A左右。為減少氧化層損失，在Lam590以SF6為主刻氣體實施干法掃硅渣，Si/OX選擇比提高到3.2左右，50 s可去凈硅渣，此時Si Loss 3 428 A左右、OX Loss 1 035 A左右（見圖4，表3）。

SF6的化學活性大，與硅渣的反應速率高、近乎各向同性，與氧化層的反應速率一般，反應式大致為：

SF6+Si?> SiF4+S（易揮發）

Lam590與SF6的組合，去除硅渣殘留的速率高1倍以上，Si/OX選擇比也高1倍以上，去硅渣效果非常好，效果見圖4。

表3 Lam590干法去硅渣速率對照表 A/min

4 結 論

（1） ALSI或ALSICU因摻有0.5～1%的Si，金屬濕刻或金屬干刻后均會或多或少地存在硅渣殘留。

（2） 金屬濕刻后會留下大量硅渣，需要用干法去硅渣去除。AE2001（CF4）和Lam590（SF6）均可去硅渣，但后者去硅渣速率和Si/OX選擇比均優于前者。

（3） 金屬干刻后也會留下硅渣殘留，如金屬下介質層厚（>8 kA）可增加干刻過刻量（>30%）、增加氧化層損失去除硅渣。如金屬下介質層薄（<500 A），干刻過刻量不可過大（10%左右）、然后要用濕法去硅渣液去除硅渣。綜上所述，根據不同產品的工藝特征和要求，標準化后的去硅渣工藝如表4所示。

表4 標準化后的去硅渣工藝

5 結 語

本文比較和分析了目前半導體行業幾種去硅渣方式的機理和優缺點，并提出了一種新的高效干法去硅渣方式。在分析幾種方式的基礎上，標準化了去硅渣工藝同時提出硅渣標準化流程。

參考文獻

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[4] 許高斌，皇華，展明浩，等.ICP深硅刻蝕工藝研究[J].真空科學與技術學報，2013，33（8）：832?835.

[5] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering， 1997， 33（1/4）： 85?100.

[6] 孫偉鋒，張波，肖盛安，等.功率半導體器件與功率集成技術的發展現狀及展望[J].中國科學：信息科學，2012，43（12）：1616?1630.

[7] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering， 1997， 33（1/4）： 85?100.

摘 要： 半導體器件制造中會用到ALSI或ALSICU做金屬連線，ALSI或ALSICU里一般含有0.5%～1%的Si，目的是防止ALSI互融造成PN junction spiking，但引入Si、金屬連線刻蝕后會有硅渣析出，刻開區分布不規則的小黑點，影響表觀。比較和分析了目前半導體制造行業幾種去硅渣方式的機理和優缺點，同時提出一種新的高效的干法去硅渣方式。在上述分析的基礎上，標準化了去硅渣工藝，提出的去硅渣標準流程，對半導體制造具有廣泛的指導作用。

關鍵詞： 半導體生產； 金屬刻蝕； 干法去硅渣； 濕法去硅渣

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0098?03

0 引 言

在半導體生產[1]過程中，金屬連線[2]一般使用ALSI或ALSICU時摻0.5%～1%的Si，這樣可以防止襯底Si與金屬AL接觸時產生ALSI互融、損傷器件的結。這是摻入Si的好處，但當ALSI或ALSICU干刻或濕刻成線條時，Si粒會在刻開區殘留下來，原因是金屬干刻（Dry Etch）或濕刻（Wet Etch）時氣體或酸液無法與SI徹底反應，刻開區容易留下硅渣殘留。

ALSI[3]或ALSICU刻蝕后的硅渣殘留，呈小黑點狀，分布在圓片表面，非常難看，雖不影響電參數，但也是表觀缺陷，需要加以解決。

1 金屬干刻、濕刻后的硅渣狀況

（1） 非薄場鋁柵的金屬干刻。不同半導體產品的ALSI或ALSICU下介質層厚度不同，干刻的過刻量也不同，干刻后的硅渣狀況也不一樣[7]。比如CMOS、BCD、DMOS 、Schottky、IGBT、厚場鋁柵等產品[8]的鋁下介質層厚，一般在8 kA以上，金屬干刻時可加大過刻量（30%左右），增加氧化層損失量，對硅渣釜底抽薪、可掃除硅渣殘留（見圖1）。所以非薄場鋁柵類的金屬干刻后無需去硅渣。

加大干刻過刻量后無硅渣

（2） 薄場鋁柵的金屬干刻。薄場鋁柵因為成本低，光刻層數少，鋁下介質層（ILD）是生長柵氧時形成，因此鋁下介質層（ILD）很薄、最薄500 A左右，金屬干刻時過刻量不能大（10%左右）、氧化層損失控制在300 A左右，這樣就有少量的硅渣殘留下來。所以薄場鋁柵的金屬干刻后需要去除少量硅渣。如圖2所示。

（3） 金屬濕刻。Bipolar，DMOS和IGBT等產品由于線條寬，有時候金屬連線是全濕刻的，腐蝕ALSI或ALSICU的酸不與SI反應，所以金屬濕刻后留下大量的硅渣（見圖3）。所以金屬濕刻后，需要去除大量的硅渣。

2 目前常用的去硅渣方式

2.1 濕法去硅渣

薄場鋁柵的ALSI或ALSICU的氧化層薄，金屬干刻不能過刻太多，會留下少量硅渣殘留，此時用反應溫和的去硅渣液去除最合適，Si反應速率在200 A/min左右， OX反應速率在15 A/min左右，選擇比高達14以上。酸液比例大約HAC 10%（W）：HNO3 2%（W）：H3PO4 71%（W），HBF4 3%（W）室溫作業，其對ALSI，ALSICU以及對Si、OX的速率如表1所示。

表1 濕法去硅渣液速率對照表

硝酸先氧化硅渣生成二氧化硅，然后氟硼酸分解的HF與二氧化硅反應，醋酸對PH起緩沖作用。反應式大致為：Si+HNO3+HF→H23SiF6+NO+H2O。

濕法去硅渣反應溫和，Si/OX選擇比高達14，適合要求氧化層損失要求少的去硅渣工藝。與干法去硅渣比，濕法去硅渣的速率小、去硅渣下氧化層的速率更小，不適合濕刻后硅渣多的狀況，硅渣特別多時用濕去硅渣液往往去不凈。

2.2 干法去硅渣

金屬濕刻時，ALSI或ALSICU里的Si不與酸液反應，金屬濕刻后會留下大量的硅渣殘留。濕法去硅渣液溫和，去硅渣效果差；要去凈大量硅渣殘留，需用干法去硅渣（Plasma Si Removal），干法去硅渣時Si反應速率是濕法的9倍，可迅速去除去硅渣殘留，但Si/OX選擇比下降（14降到1.5），氧化層損失會多些，因此不適合薄場鋁柵產品。干法去硅渣工藝，要點有兩個方面：各向同性或近乎各向同性—這樣可以去除高臺階底部的硅渣，滿足工藝要求；Si∶OX選擇比至少大于1.5，硅渣去凈了但氧化層損失不會太大。

目前業界常用Gasonics AE2001、以CF4/O2為主刻氣體干法去硅渣，速率、選擇比如表2所示。AE2001是用微波電離CF4、O2產生Plasma，然后傳送到晶片表面，進行Isotropic Etch，反應式大致為：

3 新開發的干法掃去硅渣

AE2001以CF4/O2為主刻氣體干法去硅渣，Si/OX選擇比1.5左右，全濕法金屬濕刻后AE2001掃100 s可去凈硅渣，此時Si Loss 2 900 A左右、OX Loss 1 800 A左右。為減少氧化層損失，在Lam590以SF6為主刻氣體實施干法掃硅渣，Si/OX選擇比提高到3.2左右，50 s可去凈硅渣，此時Si Loss 3 428 A左右、OX Loss 1 035 A左右（見圖4，表3）。

SF6的化學活性大，與硅渣的反應速率高、近乎各向同性，與氧化層的反應速率一般，反應式大致為：

SF6+Si?> SiF4+S（易揮發）

Lam590與SF6的組合，去除硅渣殘留的速率高1倍以上，Si/OX選擇比也高1倍以上，去硅渣效果非常好，效果見圖4。

表3 Lam590干法去硅渣速率對照表 A/min

4 結 論

（1） ALSI或ALSICU因摻有0.5～1%的Si，金屬濕刻或金屬干刻后均會或多或少地存在硅渣殘留。

（2） 金屬濕刻后會留下大量硅渣，需要用干法去硅渣去除。AE2001（CF4）和Lam590（SF6）均可去硅渣，但后者去硅渣速率和Si/OX選擇比均優于前者。

（3） 金屬干刻后也會留下硅渣殘留，如金屬下介質層厚（>8 kA）可增加干刻過刻量（>30%）、增加氧化層損失去除硅渣。如金屬下介質層薄（<500 A），干刻過刻量不可過大（10%左右）、然后要用濕法去硅渣液去除硅渣。綜上所述，根據不同產品的工藝特征和要求，標準化后的去硅渣工藝如表4所示。

表4 標準化后的去硅渣工藝

5 結 語

本文比較和分析了目前半導體行業幾種去硅渣方式的機理和優缺點，并提出了一種新的高效干法去硅渣方式。在分析幾種方式的基礎上，標準化了去硅渣工藝同時提出硅渣標準化流程。

參考文獻

[1] QUIRK Michael， SERDA Julian.半導體制造技術[M].韓鄭生，譯.北京：電子工業出版社，2009.

[2] 李希有，周衛，張偉，等.Al?Si合金RIE參數選擇[J].半導體技術，2004，29（11）：19?21.

[3] 龍芋宏，史鐵林，熊良才.準分子激光電化學刻蝕金屬的研究[J].半導體技術，2008，34（z1）：227?230.

[4] 許高斌，皇華，展明浩，等.ICP深硅刻蝕工藝研究[J].真空科學與技術學報，2013，33（8）：832?835.

[5] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering， 1997， 33（1/4）： 85?100.

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[7] FRANK W E. Approaches for patterning of aluminum[J]. Microelectronic Engineering， 1997， 33（1/4）： 85?100.