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Gravure du Métal

Zone Gravure sèche

Naît bouda Abdelyamine

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Plan de travail

Introduction

les sources TCP

Gravure du métal

phénomène de corrosion et prévention

conclusion

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Processsteps Parameters Comments

Etch Oxide 1% HF (BPSG) Pre metal dip

PVD Metal 1 15 nm Ti + 100 nm TiN 500 nm AlCu 50-70 nm TiN ARC Layer (if only Metal 1, 800 nm AlCu)

Stuffing Option: soft sputter etch ARC layer only for second metal

10. mask (MEI) Metal 1 Interconnect

Lithography HiPR 6517 2.0 µm

DUV Resist Hardening

RIE metal 1 including: resist partial rmoval corrosion passivation CF4/O2

H2O rinse

Resist Removal/Clean O3 Fusion, Organic Stripper

1,0 m CMOS-Process

p+-Substrate

p- -Epi Layern-Wellp-Well

Procede CMOS du CDTA

Métallisation

TEOS ET BPSG

Introduction

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REACTEUR TCP

Densité d’ions importante à faible pression : 0.1 ~ 10mT

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Lam TCP 9400 US 6218309 FORMATION DE STRINCHE GRAVURE DU NITRURE

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Dans les source RIE (couplage capacitive) le flux d’ions et l’énergie sont relié au générateur RF de l’électrode inférieure Impossible de découplé la la densité et l’énergie des ions

Le générateur RF source qui Le courant variable qui circule dans la bobine génère un champ magnétique variable qui génère a sont tour un champ électrique d’où une densité importante du plasma ( soutienne le plasma ) → contrôle du flux d’ions

Dans les sources HDP(couplage inductive) (TCP ou ICP) la pression de travail et faible quelque mTorr→ MFP→ amélioré l’uniformité

L’électrode inférieure polarisé par un deuxième générateur RF→ qui contrôle l’énergie des ions de bombardement

)(

50)(

mTorrpcmMFP

Source TCP

La densité du plasma et l’énergie des ions sont découplé

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Gaz utilisé pour la gravure du métal

•Les gaz fluoré utilisé pour la gravure du SiO2 ,Si et nitrure ne sont pas utilisé pour la gravure du métal ???

le produit de la réaction de gravure n’est pas volatile :

ALF3 a 100 mTorr < 60° reste s a l’état solide

Température d’ébullition est de 1291° 1 atm

Alors que AlCl3 qui est volatile et a une température d’ébullition de 177.2° a 1 atm

Les plasma chloré sont une alternative pour la gravure du métal

Cl2 / BCl3 / CCl4 / CHCl3 / SiCl4.

mais le chlore Cl2 ne grave pas la fine couche d’oxyde native d’aluminium Al2O3( de 30A°)

des gaz aditif tel que Ar , N2 CF4 CHF3,SF6

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Aluminium+ ~0.5% Cu+ 0-1% Si

Photoresist

ARC

Oxyde Barrier

ARC (Antireflective Coating) →couche de TiN

TiN= 100 a 200 nm

Aluminium : AlCuSi =500 nm (1% Si et 2 à 4% de Cu ) NORMALEMENT 0.5% d’apres ibm

Barrière : Ti =15 nm et TiN= 100nm ou TiW

Configuration du métal dans le procédé CMOS

TiN

Ti/TiN

AlCuSi

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Introduire du Si dans aluminium au delà de sa valeur de solubilité limite Freinage de la diffusion du silicium dans Alu. Typiquement :

Alu + 2% Si la est de résistivité 2,9 µ.cm contre 2,7 µ.cm pour l’Aluminium pur.

résistivité de l’Al+4%Cu : 3 µ.cm

AlAl Al + 3 ClAl + 3 Cl Al + 3 ClAl + 3 Cl AlCl3 ou Al AlCl3 ou Al22ClCl66 dépend

de la temperature de la temperature

AlCl3 et ALAlCl3 et AL22CLCL66 sont des produits vollatiles sont des produits vollatiles

CuCl3 volatile mais au-delà de → 200°C

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duficulté de gravé alcu avec une concentration de cu grande

Le cuivre aggrave le problème de la corrosion–par effet électrochimique

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Gaz du lam TCP 9600

• Cl2 100 sccm • BCl3 100 sccm • SF6 100 sccm • N2 20 sccm • CHF3 50 sccm • Ar 100 sccm • Backside Cooling : He 50 sccm /• O2 500 sccm • CF4 200 sccm • H2O 500 sccm

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• Les gaz du process:   Cl2: gaz de gravure principal du metal    BCl3: gravé la couche native de Al2O3.

Ar : les ion de bombardement toujours

utilisé dans la premiere étape  N2: Utilisé pour augmenter l’uniformité de la

gravure et aussi utilisé pour la recette d’autoclen de la chambre de gravure

CHCl3: gaz de gravure secondaire aussi utilisé pour formé les sidewall polymer. SF6: et CF4 pour la passivation de laluminium utilisé pour elimine les residu de l’aluminium        

O2: dans le DSQ pour resist stripping

H2O avec N2:dans le passivation module le APM pour dilué les résidu d’aluminium

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Temperature: 25 °C

Gases:BCl3 - 40 sccm

Cl2 - 10 sccm

Pressure: 30 mTorr

Power: 125 W

DC-bias: 250 V

Etch Rate: 500-2000 Å/m

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Quels sont les paramètres favorisant l’anisotropie ?

Passivation des parois

Une re-déposition d’un matériau passivant à effectuer sur les parois

CxClyAl

Resist mask

Plusieurs origines :La gravure partielle du masque. Les produits sont réinjectés dans le plasma et se redéposent sur les paroisCondensation de certaines molécules ou atomes provenant du mélange de gaz

Utilisation des gaz tel que :

CHCl3 CCl4

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Densité des ions

Densité ionique est le paramètre fondamental Plus le taux R = flux d’ions / flux de neutres est importante, meilleure est l’anisotropie.

Le flux d’ions dépend de la chimie du mélange gazeux mais aussi des paramètres électriques

Compromis à faire : énergie des ions/densité des ions

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AlSi etching using Cl2/BCl3 chemistry (on STS Multiplex ICP)• selectivity Al:RP 2:1,• ER: 0.2 to 0.5 um/min.

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1) Remove native oxide with BCl32) Etch Al with Cl-based plasma3) Protect fresh Al surface with thin oxidation

Les trois étapes de la gravure du métal

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Recette standar pour la gravure de l’aluminum avec le LAM 690

 Step #1 Step #2 Step #3

PRESSURE [TORR]

250 250 250

RF TOP [WATTS]

0 250 250

BCl3 [SCCM] 50 50 50

N2 [SCCM] 50 50 50

Cl2 [SCCM] 30 30 20

CHCl3 [SCCM] 30 30 35

SF6 [SCCM] 0 0 0

COMPL[STABILITY OR

TIME]

[TIME & ENDPOIN

T][OVERETCH]

MAX/WAIT [MIN:SEC]

00:30 3:00 50%

Step #4 Step #5

0 0

0 0

0 0

100 0

0 0

0 0

0 0

[TIME] [RECIPE]

00:10 00:00

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Recette de Nettoyage de La Chambre LAM 690

 Step #1 Step #2

PRESSURE [TORR]

250 0

RF TOP [WATTS] 250 0

BCl3 [SCCM] 0 0

N2 [SCCM] 100 0

Cl2 [SCCM] 0 0

CHCl3 [SCCM] 0 0

SF6 [SCCM] 0 0

COMPL [TIME] [RECIPE]

MAX/WAIT [MIN:SEC]

10:00 00:00

Recette de gravure de la resine AVEC LE LAM 690

 Step #1 Step #2

PRESSURE [TORR]

1 0

RF TOP [WATTS]

400 0

GAS1[SCCM] 0 0

GAS2 (CF4)

[SCCM]90 0

GAS3 (O2)

[SCCM]10 0

COMPL [TIME] [RECIPE]

MAX/WAIT [MIN:SEC]

1:00 00:00

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Step 1 2 3 4 5Pressure 11 11 8 8 10RF_Upper 0 800 400 400 400RF_Lower 0 325 350 350 350BCL3 (100) 64 64 35 35 23O2 (200) 0 0 0 0 0CL2 (200) 96 96 70 70 92N2 (100) 0 0 0 0 0SF6 (200) 0 0 0 0 0Ar (100) 0 0 0 0 0He 10 10 10 10 10Completion Stab EndPnt EndPnt Time TimeTime 30 145 60 5 27

1) ARC Etch / Main Etch2) Barrier Etch

3) Overetch

Recette de gravure du métal avec le LAM TCP 9600

vitesse de gravure de 600A°/mn

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0300060009000

12000150001800021000240002700030000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Time Elapsed (seconds)

Sig

nal

In

ten

sity

(co

un

ts)

0

1000

2000

3000

4000

5000

703 nm

261 nm

ARC etch

Main etch

Overetch

261.8 nm - AlCl lineSignal falls at aluminum endpoint, at Ti/TiN barrier endpoint

703 nm - Fluorine line and broad Continuum SignalSignal rises at aluminum endpoint, falls at Ti/TiN barrier endpoint

Utilisation d’un photodetecteur a

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1) ARC Etch2) Main Etch (Aluminium)

3) Barrier Etch

4) Overetch

Photoresist

ARC

Barrier

Oxide

Aluminium

Exemple du endpoint

1 2 3

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Problème de corrosion

• Constitue un handicap majeur de la métallisation lorsque cette dernière est effectuée après l’emploi de chimies de gravure chloré. La corrosion est destructive pour les circuit intégrés puisqu’elle se traduit a la fois par des coupures de lignes et par des court circuits, qui représentent des dégradations irréversible.

• La corrosion de l’aluminium est bien connue et se produit a la sortie des bâtis de gravure, lorsque les composés chlorés réagissent avec l’humidité présente dans l’air ambiant pour produire de l’acide chlorhydrique par hydrolyse

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Problème de corrosion

la réaction de gravure L’aluminium : Al + Cl2 → AlCl3

la réaction de corrosion AlCl3 + 3H20 → Al (OH) 3 + 3HCl

2Al (OH) 3+6HCl+6H20→2Al (Cl3).6H20 → Al2O3+9H2O+6HCl

Essentiellement le HCl agit comme catalyseur dans la corrosion

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Problème de corrosion

Ref : silicon processing for the VLSI ERA volume1-process tecnnology page 563

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Prevention contre la corrosion

L’Approche est d’enlever en maximum possible les résidus de chlore juste après la gravure

Enlevé la résine immédiatement c’est a dire insitu,avec la gravure du métal.

Lavé avec l’eau Le chlorure d’aluminium est très soluble, donc réagit avec l’eau ,Ce pendant H2O est utilise dans le plasma stripping pour enlevé les résidus de chlore.

utilisation des plasma fluoré pour que les résidu du Cl et Cu réagissent avec le fluor et CF4 SF6 CHF3

Utilisation de l’oxygène pour reforme du Al203 qui est un oxyde →stop la corrosion

Purge avec l’azote

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ER HI ER LOW UNI OOC PARTICLES RESIDUES CORROSION RESIST PROFILECL FLOW XXX XXX X XX

BCL3 FLOW X X X XXX XX

RF POWER X X XX

PRESSURE XX XX XX X

WAF TEMP X X XX XXX XXX XX

LINEAR WEAR XX XX XXX

DC BIAS XXXSYS LEAKS X XX XXX XX XX

XXX =HI EFFECT XX- MEDIUM X= LOW EFFECT

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Conclusion

La gravure du métal est la gravure la plus difficile dans tout les procédés technologiques.

Bien contrôlé le problème de corrosion .

Enlevé les polymers par Le wet etch (EKC 265)

Et surtout faire attention aux produit de la réaction de gravure , qui sont très dangereux.

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750Torr (105 Pa) 25 mTorr (103 Pa )

25 mTorr (103 Pa ) 75mTorr (10-1Pa)

75mTorr (10-1Pa) 75 µTorr(10-4 Pa)

1 Pa =7.5mTorr

P (mbar)

P (Pa)

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