改善金属硬质掩膜层刻蚀的工艺方法
陈敏敏
（上海华力集成电路制造有限公司，上海，201314）
摘要：随着集成电路的深入发展，半导体器件对关键线宽（CD）的要求趋于严格，本文着眼于对金属硬质掩膜层刻蚀的研究。通过实验找到了影响硬质掩膜线宽（HM CD）、膜厚（THK）和形貌的重要参数，优化了金属硬质掩膜层刻蚀工艺。实验结果表明，O2是影响HM CD的重要因素，其中O2与HM CD呈线性关系（y=1.595x+40.51,R2=0.9997）。Bias RF是影响THK的重要因素，与THK的线性关系为：y= -10.51x+129.75,R2=0.9999。Bias RF、O2、Cl2和Temp四个参数间的交互实验表明，O2和Bias RF均不会受其他参数的影响。同时，当Bias RF提高50%时，纵向刻蚀能力得到了加强，这可以改善金属硬质掩膜层的形貌。
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关键词：集成电路制造；金属硬质掩膜层刻蚀；28纳米；关键尺寸
The method for improving metal hard mask etch process
CHEN Min-min
（Shanghai Huali Integrated Circuit Corporation,Shanghai201314,China）
Abstract:With the further development of integrated circuits,the requirements of miconductor devices on critical dimension（CD）become stricter.Bad on a lot of experiments,some key parameters affecting the hard mask CD（HM CD）,film thickness（THK）and profile were found,and the metal hard mask etch was also optimized.The results show that O2is an important factor affecting HM CD,and there is a fine linear relationship between O2and HM CD（y =1.595x+40.51,R2=0.9997）.The Bias RF is also a key factor affecting THK,and the linear relationship with THK is y=-10.51x+129.75,R2=0.9999.The interaction experiment among Bias RF,O2,Cl2,Temp shows that O2or Bias RF is not affected by other parameters.Meanwhile,when Bias RF is incread by50%,the longitudinal etching ability is enhanced,which can improve the vertical profile of metal hard mask.
Key words:IC manufacturing;metal hard mask etch;28nm;critical dimension（CD）
表2优化金属硬质掩膜层剖面的实验
表1优化HM CD&THK 实验
1引言
黑板报素材
随着半导体产业持续快速的发展，器件的线宽也越来越小，半导体制造工艺对于关键线宽的要求趋于严格。在现行先进逻辑芯片生产工艺中，现行技术对高深宽比刻蚀氧化硅或者其他low-k 材料的需求愈来愈重要
[1，2]
。由于光刻胶对氧化硅或者其他
low-k 材料的刻蚀选择性低、
刻蚀方向性差，而硬质掩膜层具有较高的刻蚀选择比和刻蚀方向性等特点，所以金属硬质掩膜层广泛应用在后段铜互连工艺中。例如，通过硬质掩膜层的转移方法来获得更窄的线宽，这种方法也被广泛应用在28nm 及以下的铜互连工艺。对于更小尺寸的器件，光刻技术已经达到了极限，而且光刻胶也没有足够的能力定义更窄的线宽。这时，金属掩膜层技术的出现使此缺陷得以改善，可选择更薄的硬质掩膜层来提高选择比。硬质掩膜层的材料有多种，目前氮化钛（TiN ）作为金属硬质掩膜层的主要材料广泛应用于双大马士革刻蚀
中[3，4]
。但是，在刻蚀过程中，金属层的刻蚀会影响硬
质掩膜层乃至后续大马士革刻蚀，因此选择合适的刻蚀条件来优化HM CD 大小、THK 以及形貌显得尤为重要。
本文通过分析比较了各个步骤中影响硬质掩膜线宽（HM CD ）、膜厚（THK ）和形貌的重要参数，优化了金属硬质掩膜层刻蚀工艺。实验结果表明，O 2对金属硬质掩膜层的HM CD 起到决定性作用，而Bias RF 既影响膜厚又对金属硬质掩膜层的形貌有重要影响。这些实验结果可以为金属硬质掩膜层刻蚀的研发提供参考。
2实验爱国的手抄报
在本实验中，金属硬质掩膜刻蚀在Lam Metal M 反应腔中进行，在金属硬质掩膜刻蚀后经过湿法刻蚀清洗处理，并在扫描式电子显微镜（Scanning elec-tron microscope,CDSEM ）上对晶片进行HM CD 量测，在KT 膜厚机上进行THK 量测。通过穿透式电子显微镜
（Transmission electron microscope,TEM ）对晶片进行剖面分析；通过调整下表1中的参数进行优化HM CD 和THK 的实验；通过调整下表2中的参数进行优化金属硬质掩膜层剖面的实验。
3结果与讨论杨宗英
3.1调整HM CD 和THK 的实验
在金属硬质掩膜层刻蚀中，刻蚀工艺主要有BARC 刻蚀、BT 刻蚀、TiN 刻蚀、ASH 等步骤（图1）。在这几个步骤中，刻蚀BARC
是最先定义HM
CD 大小的一步，因此BARC 的刻蚀对后续CD 的影响很大。在BARC 刻蚀中，也有很多参数，
诸如压力、图1金属硬质掩膜层刻蚀的流程图
图3DOE 交互实验设计图
图2调节HM CD 和THK 的实验结果曲线图；
实心圆代表HM CD 数据，正方形代表THK 数据
射频功率、自偏压、刻蚀时间、气体、温度等。我们选取了其中四个重要的参数变量，分别是自偏压（Bias RF ）、氧气（O 2）、氯气（Cl 2）、温度（Temp ）。我们通过调节这四个工艺参数来优化HM CD 和THK 的大小，找出其合理的变化趋势。
首先，我们选取了Bias RF 、O 2、Cl 2和Temp 等关键参数进行调整，以寻求这些参数对HM CD 和THK 的影响。在其他参数不变的条件下，将Bias RF 、O 2、Cl 2的比例分别调整为±10%，Temp 为±3℃进行实验。如图2所示，在O 2变化为±10%时，HM CD 从42.09nm 增大至45.28nm ，与其他参数相比，O 2的变化量最大，同时也呈线性关系（y =1.595x +40.51,R 2=0.9997）。而将Bias RF 改变±10%时，THK 从119.2Å降低至98.2Å，其线性关系为：y =-10.51x +129.75,R 2=0.9999。由实验结果可知，当增加O 2时，加强O 2与BARC 的反应，增加了BARC 的刻蚀，
因此HM CD 会变大。当Bias RF 增加时，等离子体轰击能力加强了，增强了各向异性的刻蚀能力，等离子体偏向纵向刻蚀，从而导致剩余的厚度变薄。而其余两个参数Cl 2和Temp 对HM CD 和THK 没有显著的影响。所以，在这四个参数中，O 2对调节CD 起决定性作用，
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而Bias RF 主要调节膜厚。3.2DOE 交互实验
在上一节中，我们做了四个参数单一变化的实验，为了研究多参数的影响，判断上述的O 2和Bias RF 对CD 和THK 的影响是否具有独立性，设计了多参数同时变化的交互实验。由于本次实验涉及
到四个变量参数，每个参数在不同水平上的变量需要进行大量的对比实验。为了提高效率，避免不必要过多的实验，我们采用JMP 中DOE （Design Of Experiment ）分析软件，设计了正交实验。如图3所示，该实验可以对本组实验中四个因子在三个水平上进行交叉分组，以最少的实验次数找到最佳组合的工艺条件。本次进行“四因子、三水平、共九次”的实验（如图3），分析了四个参数间的交互作用。交互作用是指当改变其他因子的水平时，主因子作用的平均变化量是否受影响。比如，
因子B 的变化不会改变因子A 对结果Y 的影响，A 与Y 的回归直线完全平行，表明因子A 与B 之间没有任何交互作用；反之，因子B 的变化改变了因子A 对结果Y 的影响，A 与Y 的回归直线发生相交，表明因子A 与B 之间有交互作用。
如图4所示，在其他条件不变的情况下，改变Bias RF 、O 2、Cl 2和Temp 等参数得到HM CD 变化的交互图。由以上结果可知，
当其他三个变量改变时，Bias RF 、Cl 2、Temp 与HM CD 值的回归直线都发生相交，表明Bias RF 、Cl 2和Temp 都会受到其他三个参数的影响。而当Bias RF 、Cl 2和Temp 变化时，O 2对HM CD 值的回归直线没有明显相交，说明O 2与Bias RF 、Cl 2、Temp 间没有
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明
显交互作用，所以Bias RF 、Cl 2、Temp 变化并不会改变O 2对HM CD 值的影响。因此，我们可以清楚地理解到O 2在影响HM CD 的重要性。
图6改善前的金属硬质掩膜层剖面图
如图5所示，通过改变Bias RF 、O 2、Cl 2和Temp 等参数绘制的THK 变化交互图。实验结果表明，当其他三个变量改变时，O 2、Cl 2、Temp 与THK 值的回归直线都发生相交，因此O 2、Cl 2、Temp 都会与其他三个参数有交互作用。而当O 2、Cl 2、Temp 变化时，Bias RF 与THK 值的回归直线没有明显相交，说明Bias RF 与O 2、Cl 2、Temp 间没有明显交互作用，所以，Bias RF 对THK 值的影响不会受到O 2、Cl 2、Temp 变化而改变。因此，Bias RF 对THK 的改变起决定性作用。网络安全监测
3.3金属硬质掩膜层形貌的改善
如图6所示，金属硬质掩膜层的剖面呈现明显的保龄球状，这一现象会把金属硬质掩膜层的形貌转移至大马士革刻蚀上，严重影响最终刻蚀的CD 大小。产生该现象的原因可能是因为刻蚀时间太长，由于刻蚀的高选择比，导致加强了侧壁刻蚀。因此，我们通过改变刻蚀金属层步骤中的Bias RF 、Process time 、CH 4和Cl 2等参数，再通过穿透式电子显微镜对晶片进行剖面分析，得到改善金属硬质掩膜层形貌的主要参数。
对此，通过调节Bias RF 、Pro-cess time 、CH 4和Cl 2这四个工艺参数做了相关优化实验。每组实验分别将Bias RF 提高50%，将Process time 、CH 4和Cl 2各降低50%，实验结果如图7所示。当Bias RF 提高50%时，金属硬质掩膜层的形貌呈现比较垂直（图7a ），而其他三个参数Process time 、CH 4和Cl 2各降低50%，金属硬质掩膜层的保龄球状形貌虽然有所改善，但是在其底部还是有些弧形（图7b,c,
d ）。所以，
Bias RF 通过加强纵向刻蚀的能力可以很好地改善金属硬质掩膜层的剖面形貌。
图4Bias RF、O 2、Cl 2和Temp 等参数与HM CD 变化的交互图
图5Bias RF、O 2、Cl 2和Temp 等参数与THK 变化的交互图
图7改善后的金属硬质掩膜层剖面图
4小结
本文首先通过调节Bias RF 、O 2、Cl 2和Temp 等四个工艺参数找出HM CD 和THK 的变化趋势。实验结果表明，O 2和Bias RF 是影响HM CD 和THK 的重要因素。其中O 2与HM CD 呈线性关系（y =1.595x +40.51,R 2=0.9997），Bias RF 与THK 的线性关系为：y =-10.51x +129.75,R 2=0.9999。同时，我们也设计了Bias RF 、O 2、Cl 2和Temp 四个参数的交互实验，分析了这四个参数间的交互作用。根据实验结果，O 2在调节HM CD 时与Bias RF 、Cl 2、Temp 间没有明显交互作用，Bias RF 对THK 值也不会受到O 2、Cl 2、Temp 的影响。因此，O 2对调节HM CD 起决定性作用，
而Bias RF 主要调节膜厚，并且两者均不受其他因素干扰。最后，为了改善保龄球状的金属硬质掩膜，比较了Bias RF 、Process time 、CH 4和Cl 2这四个工艺参数对此的影响。结合TEM 图可知，将Bias RF 提高50%，加强了纵向刻蚀能力，
金属硬质掩膜层的形貌得以改善。这些实验结果及改善措施
为金属硬质掩膜层刻蚀的研发提供了理论和实践参考
陈员外
参考文献
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[2]B.O.Cho,SW.Hwang,G.R.Lee,et al.Angular de-pendence of the redeposition rates during SiO 2etc
hing in a CH 4plasma.J Vac Sci Tcchnol,2001,19,730.[3]K.Kolari,High etch lectivity for plasma etching SiO 2with AlN and Al 2O 3masks.Microelectron.Eng.2008,85,985.
[4]V.Bliznetsov,H.M.Lin,Y.J.Zhang and D.John-son,Deep SiO 2etching with Al and AlN masks for MEMS devices.Journal of Micromechanics &Micro-engineering,2015,25,087002.
作者简介
陈敏敏，上海华力集成电路制造有限公司，资深工程师，研究方向：干法刻蚀工艺。
（a ）Bias （v ）+50%
（b ）p roc ess t ime （s ）-50%
（c ）CH 4（s cc m ）
-50%（d ）Cl 2（s cc m
）-50%Part 1:Protocol",European Telecommunications Stan-dards Institute,2013-12.
[4]ETSI TS 102771:"Digital Video Broadcasting （DVB ）;Generic Stream Encapsulation （GSE ）i
mple-mentation guidelines".European Telecommunications Standards Institute,2011-05.
作者简介
马效波，硕士，芯片开发工程师，主要研究方向为卫星通信芯片设计与实现。
刘学毅，硕士，芯片开发工程师，主要研究方向为卫星通信芯片设计与实现。
成丹，硕士，芯片设计工程师，主要研究方向为芯片验证。
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