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介紹
TiN硬掩模(TiN-HM)集成方案已廣泛用于BEOL圖案化，以避免等離子體灰化過程中的超低k (ULK)損傷。隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步，新的集成方案必須被用于利用193 nm浸沒光刻來圖案化80 nm間距以下的特征。特別是，為了確保自對(duì)準(zhǔn)通孔(SAV)集成，需要更厚的TiN-HM，以解決由光刻-蝕刻-光刻-蝕刻(LELE)未對(duì)準(zhǔn)引起的通孔-金屬產(chǎn)量不足和TDDB問題。由于結(jié)構(gòu)的高縱橫比，如果不去除厚的TiN，則Cu填充工藝明顯更加困難。此外，使用TiN硬掩模時(shí)，在線蝕刻和金屬沉積之間可能會(huì)形成時(shí)間相關(guān)的晶體生長(zhǎng)(TiCOF)殘留物，這也會(huì)阻礙銅填充。在線蝕刻之后的蝕刻后處理是該問題的一個(gè)解決方案，但是N2等離子體不足以有效地完全抑制殘留物，并且中提出的CH4處理可能難以對(duì)14 nm節(jié)點(diǎn)實(shí)施，因此有效的濕法剝離和清潔提供了更好的解決方案。
開發(fā)了利用無銅暴露的SiCN保留方案去除厚TiN-HM的方法，并顯示出良好的電氣和可靠性性能，但仍有降低工業(yè)挑戰(zhàn)成本的空間。在本文中，我們通過使用一體化濕法方案圖1作為解決這些問題的替代方法，展示了厚錫-HM去除工藝，重點(diǎn)關(guān)注實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的以下標(biāo)準(zhǔn)(如表1所示)。
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結(jié)果和討論
首先，為了達(dá)到目標(biāo)值(> 200/min)，研究了每種產(chǎn)品的錫蝕刻速率的溫度依賴性。圖2顯示了錫蝕刻速率和從每個(gè)斜率計(jì)算的活化能(Ea)的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品A和B分別需要超過55℃和65℃才能達(dá)到目標(biāo)。活化能Ea(A)和Ea(B)分別表現(xiàn)出0.81eV (= 78.2 kJ/mol)和0.68eV (= 65.6 kJ/mol)，對(duì)于10 C，錫蝕刻速率上升約2.4和2.0倍一般情況下，溫度從50°C上升到60°C。由于兩種產(chǎn)品的活化能相似，這無法解釋觀察到的蝕刻速率差異。應(yīng)該考慮其他參數(shù)，例如反應(yīng)物和副產(chǎn)物的濃度、靜電效應(yīng)和在錫表面的吸附/解吸機(jī)制。
TiN-HM去除工藝
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圖2 (a)作為溫度函數(shù)的錫蝕刻速率，(b)從斜率計(jì)算活化能Ea
隨后，研究了作為溫度函數(shù)的TEOS和銅蝕刻速率，以確認(rèn)蝕刻選擇性，如圖3所示。對(duì)目標(biāo)內(nèi)的TEOS或銅蝕刻速率沒有影響(< 2ω/min)。圖4示出了在晶片處理后沒有化學(xué)回收的情況下，錫和銅的蝕刻速率作為浴壽命的函數(shù)(僅混合槽再循環(huán)回路)。產(chǎn)品A和B都沒有顯示出蝕刻速率隨浴壽命的顯著變化，這表明了良好的熱穩(wěn)定性。
決定TiN-HM去除率的因素包括TiN薄膜性質(zhì)(特別是Ti:N:O比率)、可用氧化劑、與其他配方成分(腐蝕抑制劑、蝕刻劑等)的相互作用、溫度和pH值。TiN的溶解需要氧化劑將Ti3+轉(zhuǎn)化為Ti4+以及Ti4+絡(luò)合劑來克服表面氧化物/氮氧化物鈍化膜[7]。本研究中考慮的兩種配方都利用堿性pH值和添加氧化劑H2O2來驅(qū)動(dòng)TiN-HM溶解反應(yīng)，此處顯示了其中的一個(gè)示例:
ti3 ++ 3/2h2o 2+4oh-[TiO 2(OH)3]-+2 H2O(1)
對(duì)于產(chǎn)品A，氧化劑以高比例(9:1)加入，這提供了過量的過氧化氫，有助于保持Ti4+以絡(luò)合物如[Ti(O2)(OH)3]形式的溶解度。為了在具有高H2O2濃度的混合物中保持高的錫蝕刻速率和TEOS/銅相容性，配方的pH值必須在整個(gè)浴壽命中保持相對(duì)穩(wěn)定，并且保護(hù)金屬和電介質(zhì)表面的抗氧化組分是必不可少的。產(chǎn)品A就是這樣設(shè)計(jì)的。蝕刻劑是同類中最熱穩(wěn)定抗氧化的，在特殊添加劑中，一種通過電子耗盡結(jié)構(gòu)防止氧化，而另一種通過最可能的氧化分解機(jī)理中活化絡(luò)合物的應(yīng)變構(gòu)象保護(hù)。
最后，通過使用在最小成本條件下加工的產(chǎn)品A，在14 nm節(jié)點(diǎn)BEOL圖案化晶片上證實(shí)了TiCOF晶體去除和Cu線填充效率。如圖5所示，在50℃和55℃下觀察到非常好的TiCOF晶體生長(zhǎng)去除效率(100%)。此外，圖6示出了通過錫去除工藝實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的Cu線填充，并且可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的工藝(條件2)以完全防止在金屬化步驟期間形成Cu空洞。
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結(jié)論
針對(duì)14 nm BEOL技術(shù)節(jié)點(diǎn)開發(fā)了具有蝕刻后殘留物清洗的厚TiN-HM濕法去除工藝，該工藝能夠同時(shí)進(jìn)行通孔/溝槽輪廓控制和通孔底部的銅聚合物去除，以改善銅填充。最佳候選產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化目標(biāo)(高錫蝕刻速率、對(duì)金屬和電介質(zhì)的高選擇性、高溫下24小時(shí)的浴壽命)。除了優(yōu)異的Cu線填充之外，通過使用14nm節(jié)點(diǎn)BEOL圖案化結(jié)構(gòu)，還實(shí)現(xiàn)了TiCOF晶體生長(zhǎng)去除效率而沒有CD損失。