阅读说明：本技术 一种用于铝基片的等离子体刻蚀方法 (Plasma etching method for aluminum substrate ) 是由 陈国动 朱海云 于 2018-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于铝基片的等离子体刻蚀方法,所述刻蚀方法包括：采用氯基气体对表面设置有掩膜层的铝基片进行刻蚀；去除所述铝基片上的所述掩膜层；采用氮气对所述铝基片进行预定时间的防腐蚀处理。所述等离子体刻蚀方法可以有效地除去铝基片表面的残留氯离子,并在铝基片的表面形成稳定的钝化层,提升铝基片在空气中的防腐蚀能力。(The invention provides a plasma etching method for an aluminum substrate, which comprises the following steps: etching the aluminum substrate with the mask layer on the surface by adopting chlorine-based gas; removing the mask layer on the aluminum substrate; and carrying out corrosion prevention treatment on the aluminum substrate for a preset time by adopting nitrogen. The plasma etching method can effectively remove residual chloride ions on the surface of the aluminum substrate, and form a stable passivation layer on the surface of the aluminum substrate, thereby improving the corrosion resistance of the aluminum substrate in air.)

一种用于铝基片的等离子体刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种用于铝基片的等离子体刻蚀方法。

背景技术

在集成电路的制造工艺中，铝(Al)及其合金材料广泛用于互连线来连接不同的器件和区域。当前对Al基片的互连的刻蚀已经广泛的采用了等离子体干法刻蚀工艺，在所述等离子体干法刻蚀工艺中通常采用氯基气体作为刻蚀工艺气体，所述氯基气体包括Cl₂、BCl₃、CCl₄、SiCl₄以及HCl等。若采用上述氯基气体作为刻蚀工艺气体执行所述等离子体干法刻蚀工艺，在工艺结束后会有大量Cl离子沉积在所述Al基片的表面，当Al基片与空气或水蒸气接触后，这些残留的Cl离子会引起Al基片的腐蚀，并且随着时间的推移，腐蚀速率会逐渐加快。这些腐蚀的出现对产品良率产生负面影响，对Al基片刻蚀与清洗两个工艺的时间间隔提出了更高的要求，这又进一步地增加了基片生产时间和运营成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于铝基片的等离子体刻蚀方法。所述等离子体刻蚀方法可以有效地除去铝基片表面的残留氯离子，并在铝基片的表面形成稳定的钝化层，提升所述铝基片在空气中的防腐蚀能力。

为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种用于铝基片的等离子体刻蚀方法，其中，所述刻蚀方法包括：

采用氯基气体对表面设置有掩膜层的铝基片进行刻蚀；

去除所述铝基片上的所述掩膜层；

采用氮气对所述铝基片进行预定时间的防腐蚀处理。

可选地，执行采用氯基气体对表面设置有掩膜层的铝基片进行刻蚀的步骤包括：

向第一工艺腔室内通入氯基气体，电离所述氯基气体，以执行对所述铝基片进行刻蚀的步骤。

可选地，执行去除所述铝基片上的所述掩膜层的步骤包括：

将执行完刻蚀步骤的铝基片从第一工艺腔室传输至第二工艺腔室；

向所述第二工艺腔室通入氧气，电离所述氧气形成等离子体以对所述铝基片表面上的所述掩膜层进行刻蚀。

可选地，执行采用氮气对所述铝基片进行预定时间的防腐蚀处理的步骤包括：

向所述第二工艺腔室内通入氮气或者混合气，电离所述氮气和所述辅助工艺气体形成等离子体以对去除掩膜层后的所述铝基片进行防腐蚀处理，所述混合气包括氮气和辅助工艺气体。

可选地，所述辅助工艺气体包括氧气、氩气和氦气中的至少一者。

可选地，执行采用氮气对所述铝基片进行预定时间的防腐蚀处理的步骤包括：

电离所述氮气形成等离子体以对去除掩膜层后的所述铝基片进行防腐蚀处理。

可选地，通入所述第二工艺腔室的所述氮气的流量为50sccm～1000sccm；通入所述第二工艺腔室的所述辅助工艺气体的流量为0sccm～1000sccm。

可选地，执行向所述第二工艺腔室通入所述氮气和所述辅助工艺气体的步骤之后，所述第二工艺腔室的气压范围是10mT～2000mT。

可选地，对去除掩膜层后的所述铝基片进行防腐蚀处理时，

上电极的射频功率范围为500W～2500W；

下电极的射频功率范围为30W～1000W。

可选地，所述预定时间的范围为20s～300s。

可选地，对去除掩膜层后的所述铝基片进行防腐蚀处理时，所述铝基片的温度范围是30℃～300℃。

本发明的有益技术效果：

本发明所提供的所述等离子体刻蚀方法，通过氮气等离子体对铝基片的防腐蚀处理，能够有效地除去铝基片表面的残留氯离子，并在铝基片的表面形成稳定的钝化层，提升所述铝基片在空气中的防腐蚀能力；此外该防腐蚀处理工艺与去除掩膜层的工艺可以在同一个工艺向室内完成，不需要添加其他工艺制程机台，降低了工艺成本；本发明采用氮气作为工艺气体进行防腐蚀处理，不会对工艺腔室造成腐蚀，且适用于多种金属材质的基片，具有广泛地工艺对象适用性。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的

具体实施方式

一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中的标准铝刻蚀工艺流程图；

图2为本发明所提供的用于基片的等离子体刻蚀方法的流程图；

图3为本发明所提供的等离子体刻蚀方法用于对铝基片进行刻蚀时的流程图；

图4a为对铝基片执行现有技术中的标准铝刻蚀工艺后24小时表面腐蚀情况；

图4b为对铝基片执行现有技术中的标准铝刻蚀工艺后48小时表面腐蚀情况；

图4c为对铝基片执行现有技术中的标准铝刻蚀工艺后72小时表面腐蚀情况；

图5a为对铝基片执行本发明所提供的等离子体刻蚀方法后24小时表面腐蚀情况；

图5b为对铝基片执行本发明所提供的等离子体刻蚀方法后48小时表面腐蚀情况；

图5c为对铝基片执行本发明所提供的等离子体刻蚀方法后72小时表面腐蚀情况；

图5d为对铝基片执行本发明所提供的等离子体刻蚀方法后96小时表面腐蚀情况；

图5e为对铝基片执行本发明所提供的等离子体刻蚀方法后120小时表面腐蚀情况。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了解决背景技术中存在的问题，提出了两种技术方案：

方案一：在铝基片刻蚀结束后，向反应腔室添加氟化物，电离所述氟化物形成等离子体，利用含氟的等离子体轰击铝基片从而在铝基片表面形成钝化层，利用含氟铝化合物的稳定性高于铝的特点，减弱铝基片在空气中的腐蚀效应；铝氟化过程的反应表达式如下：

Al+xF→AlFx

方案二：在铝基片刻蚀的去除光刻胶的步骤中添加预处理步骤，具体地，利用一定压力下含有水蒸气(H₂O)的等离子体对铝基片进行处理，通过等离子体中形成大量的氢自由基带走铝基片表面刻蚀后残留的Cl元素，从而减弱Cl元素引起的铝基片的腐蚀；上述含水蒸气等离子体处理过程防腐机理的反应表达式如下：

H+Cl→HCl↑

经过本发明人研究发现上述方案存在以下问题：

对于方案一、由于氟元素本身就是铝的刻蚀反应剂的一种，在钝化的过程中会不断消耗铝，所以含氟的钝化过程同样也会发生一定程度的铝的刻蚀反应，也就是说这种防腐的作用是不彻底的。如果含氟的钝化条件控制不好，如氟化物中的碳、氟比例、工艺腔室的压力、流量等因素，氟离子对铝基片的腐蚀作用反而会大于其钝化作用，腐蚀会更加严重。此外，这种对铝氟化的钝化效果是有条件的，当反应环境中有氧存在时，防腐作用会大大减弱，并且腐蚀会因为氟元素残余而加重。

对于方案二、此技术方案中H₂O的添加在清除Cl离子的过程中形成了部分气态的HCl，如果这部分气态的HCl没有被及时抽走，会与H₂O反应产生了部分氢离子，反而会对铝基片产生一定的腐蚀。同时气态H₂O和气态HCl的存在会对去胶机的腔室造成腐蚀，最终导致铝基片表面出现颗粒问题。

为了解决上述问题，作为本发明第一个方面，提供了一种用于铝基片的等离子体刻蚀方法，其中，如图2所示，所述刻蚀方法包括：

步骤S1、采用氯基刻蚀气体对表面设置有掩膜层的铝基片进行刻蚀；

步骤S2、去除所述铝基片上的所述掩膜层；

步骤S3、采用氮气对所述铝基片进行预定时间的防腐蚀处理。

如上所述，本发明所提供的刻蚀方法，通过执行上述步骤S1至S3后，能够有效去除所述铝基片表面的残留的氯离子，并形成稳定的钝化层，提升所述铝基片在空气中的防腐蚀能力，进而保证铝基片的器件良率。

作为本发明一种优选地实施方式，在执行步骤S1时，具体包括：向第一工艺腔室内通入氯基气体，电离所述氯基气体，以执行对所述铝基片进行刻蚀的步骤。

如上所述，容易理解的是，以氯基气体作为刻蚀工艺气体通入所述第一工艺腔室，通过上电极射频电源给所述第一工艺腔室加载射频功率，以电离所述氯基刻蚀气体形成等离子体，利用所述等离子体对所述铝基片进行刻蚀。

进一步地，执行步骤S2时，可以利用氧气等离子体干法刻蚀对所述掩膜层进行去除，具体地，将执行完刻蚀步骤的所述铝基片从所述第一工艺腔室传输至第二工艺腔室；向所述第二工艺腔室通入氧气，电离所述氧气形成等离子体以对所述铝基片表面上的所述掩膜层进行刻蚀。

在步骤S3中采用氮气对所述铝基片进行预定时间的防腐蚀处理，具体地，向所述第二工艺腔室内通入氮气和辅助工艺气体，电离所述氮气和所述辅助工艺气体形成等离子体以对去除掩膜层后的所述铝基片进行防腐蚀处理。

如上所述，需要说明的是，利用氮气和辅助工艺气体的等离子体对铝基片的表面进行持续预定时间的防腐蚀处理可实现两个目的，其一是清除刻蚀工艺过程中残留在铝基片表面的氯离子，其二是在铝基片表面形成一层稳定的钝化层以使得铝基片与空气或空气中的水蒸气隔绝，防止腐蚀反应发生。

需要说明的是，作为一种优选地实施方式，所述第一工艺腔室内可以是Al刻蚀机台工艺腔室，所述第二工艺腔室可以是去胶机台工艺腔室。

上述步骤S2在去胶机台工艺腔室内执行，步骤S3也可以在该去胶机台工艺腔室内执行，或者，步骤S3可以在其他工艺腔室内单独地执行，总之，上述工艺步骤S2和步骤S3顺序执行，保证了原有的铝基片刻蚀工艺流程顺序不变，降低工艺复杂度。

作为本发明一种可选地实施方式，在执行步骤S3时，还可以向所述第二工艺腔室中只通入氮气，然后仅对所述氮气进行电离形成等离子体，利用所述等离子体对去除掩膜层后的所述铝基片进行防腐蚀处理。

结合图3对本发明所提供的所述等离子体刻蚀方法进行说明，具体地，如图3所示，经过步骤P1(提供待刻蚀铝基片)和步骤P2(进行铝刻蚀)对铝基片进行刻蚀之后，执行步骤P3(包括1、铝基片表面掩膜图案去除，和2、铝基片防腐蚀处理)，在去胶工艺腔室内先进行掩膜层的去除工艺，然后接着执行铝基片防腐蚀处理，具体步骤即上述步骤S2至S3；在执行完步骤P3后，执行清洗铝基片的工艺步骤P5以及清洗结束后的后续工艺制程步骤P6。

需要说明的是，铝基片的刻蚀工艺步骤与铝基片的掩膜层去除的工艺步骤是连续进行的，而铝基片的掩膜层去除的工艺步骤与铝基片清洗工艺步骤之间的制程差异较大，因此两者之间会有不确定的时间间隔，即，在步骤P3和步骤P4之间执行间隔步骤P4，以图3为例的实施方式中，步骤P4所示的间隔时间为0～120小时。

下面对利用氮气等离子体对铝基片进行防腐蚀处理的原理进行说明：

首先，氮气等离子体中氮的活性基团可以有效地同铝基片发生钝化反应，使得铝基片表面形成稳定的氮化铝类钝化层，实现后期铝基片在空气中的防腐蚀稳定性，该钝化反应只有表面的铝参与了钝化反应，不会因为钝化而对铝基片造成刻蚀。其次，氮气等离子体中的氮活性基团还可以逐步地转化铝-氯类化合物为氮化铝类化合物，保证已经参与反应的氯离子被清除带走，去除发生化学粘附的氯离子。最后，氮气等离子中大量的氮活性离子在轰击铝基片表面的过程中，对黏附在铝基片表面的氯离子或气态氯基团会有很好的清扫作用，去除发生物理黏附的氯。对比氯原子或氯离子，氮原子或氮离子黏附性差，其残留量会非常少，且残留的氮不但不会引起其他的腐蚀现象发生，反而对铝基片表面有很好的保护作用。

本发明所提用的所述等离子体刻蚀方法，通过氮气等离子体对铝基片的防腐蚀处理，能够有效地除去铝基片表面的残留氯离子，并在铝基片的表面形成稳定的钝化层，提升所述铝基片在空气中的防腐蚀能力；此外该防腐蚀处理工艺与去除掩膜层的工艺在同一个工艺向室内完成，不需要添加其他工艺制程机台，降低了工艺成本；本发明采用氮气作为工艺气体进行防腐蚀处理，不会对工艺腔室造成腐蚀，且适用于多种金属材质的基片，具有广泛地工艺对象适用性。

基于上述原理，进一步地，作为本发明一种可选地实施方式，向所述第二工艺腔室内通入的所述辅助工艺气体包括氧气、氩气和氦气中的至少一者。

需要说明的是，在以氮气为主要工艺气体的铝基片防腐蚀处理工艺中，通入氧气并将所述氧气电离成等离子体，利用所述氧气等离子体可以进一步对铝基片表面残留的掩膜层进行刻蚀清除；通入氩气可以进一步地增强氮气等离子体的解离，以形成高密度的等离子体，而通入氦气可以调节氮气等离子体的浓度，以满足不同的工艺需求，所述工艺需求指的是氮气等离子体与铝基片的钝化反应速率以及对氯离子的清除速率。

作为本发明一种可选地实施方式，在执行对去除掩膜层后的所述铝基片进行防腐蚀处理的步骤时，上电极的射频功率范围为500W～2500W；下电极的射频功率范围为30W～1000W。

需要说明的是，设置较高的上电极功率的目的是产生高密度的氮气等离子体，从而增大与铝基片表面接触的氮活性基团数量，加快钝化反应速率和氮对化学粘附氯的交换，以及对物理粘附的氯的清扫。较为合适的下电极功率的意义在于，对氮离子及活性基团进行偏压作用，增大高密度的氮气等离子体轰击到铝基片表面的速度和密度，从而更快或更充分的完成防腐处理中的钝化反应和氯的清理。

作为本发明另一种可选地实施方式，执行采用氮气对所述铝基片进行预定时间的防腐蚀处理的步骤时，通入所述第二工艺腔室的氮气的流量为50sccm～1000sccm；通入所述第二工艺腔室的所述辅助工艺气体的流量为0sccm～1000sccm；并且保证执行上述步骤之后，所述第二工艺腔室的气压范围是10mT～2000mT。

作为本发明再一种可选地实施方式，所述预定时间的范围为20s～300s。

作为本发明又一种可选地实施方式，在执行对所述氮气和所述辅助工艺气体进行电离的步骤时，所述基片的温度范围是30℃～300℃。

需要说明的是，所述基片的温度可以通过调节静电卡盘的温度来调节，通过调节所述基片的温度可以获得更好的钝化反应速率和氯离子的清除速率，具体地，温度在上述温度范围内越高，钝化反应速率以及氯离子的清除速率就会越快。

下面结合图1、图3、图4以及图5对本发明所提供的等离子体刻蚀方法应用于对铝基片的刻蚀所实现的效果进行说明：

实施例：

如图3所示的本发明所提供的等离子体刻蚀方法应用于铝基片刻蚀工艺中的流程图，基于电感耦合等离子体(ICP)去胶机台，在执行步骤P3的工艺条件如下：

步骤1、铝基片表面掩膜层去除

工艺腔室的压力：1Torr；

上电极功率：1200W；

下电极功率：0W；

通入工艺腔室内的氧气流量：1000sccm；

通入工艺腔室内的氮气流量：60sccm；

静电卡盘温度：200℃。

步骤2、铝基片防腐蚀处理

工艺腔室的压力：15mTorr；

上电极功率：1000W；

下电极功率：350W；

通入工艺腔室内的氮气流量：100sccm；

静电卡盘温度：200℃。

对比例：

如图1所示的现有技术中的标准铝刻蚀工艺(即，对比例所采用的铝刻蚀工艺)的流程图，基于电感耦合等离子体(ICP)去胶机台，在执行步骤P3’的工艺条件如下：

工艺腔室的压力：1Torr；

上电极功率：1200W；

下电极功率：0W；

通入工艺腔室内的氧气流量：1000sccm；

通入工艺腔室内的氮气流量：60sccm；

静电卡盘温度：200℃。

图1所示的标准铝刻蚀工艺中，步骤P1’(即，提供待刻蚀铝基片)至步骤P2’(即，进行铝刻蚀)完成了对铝基片的刻蚀，在步骤P3’中对铝基片的掩膜层进行去除，执行完步骤P3’后，间隔步骤P4’的时长，再执行步骤P5’对铝基片进行清洗，之后执行步骤P6’所述的后续工艺制程。

图1所示的对比例中的标准铝刻蚀工艺与图3所示的本发明所提供的等离子体刻蚀方法用于对铝基片进行刻蚀的工艺相比，区别仅在于步骤P3’不同于本发明所提供的刻蚀方法中的步骤P3、以及步骤P4’不同于本发明所提供的刻蚀方法中的步骤P4，其中，步骤P3相对于步骤P3’多设置一步铝基片防腐蚀处理，在步骤P4中，间隔时间要长于步骤P4’的间隔时间。

上述对比例所得到的铝基片刻蚀结果如图4a至4c所示，刻蚀后24小时开始，随着时间的推移，铝基片表面的腐蚀现象逐渐加重，腐蚀颗粒增多且逐渐增大，到72小时已经非常严重。

上述实施例所得到的铝基片刻蚀结果如图5a至5e所示，铝基片表面保持120小时不发生腐蚀现象，没有腐蚀颗粒出现。

由此可知，本发明所提供的等离子体刻蚀方法用于铝基片刻蚀工艺中，通过添加氮气等离子体对铝基片极性防腐蚀处理，有效提升了铝基片的防腐蚀能力，延长了基片去除掩膜层制程与清洗制程之间的允许间隔时间，有效地保证了铝基片的产品良率。

此外，上述对比例以及实施例是基于ICP腔室执行的，当然本发明所提供的等离子体刻蚀方法不限于此，对不同类型的工艺腔室适用性强，例如，本发明所提供的等离子体刻蚀方法还适用于电容耦合等离子体(CCP)型的工艺腔室。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。