55纳米后段工艺集成中空洞问题的研究与解决

上海交通大学硕士学位论文 I 55纳米后段工艺集成中空洞问题的研究与解决 摘 要 在55工艺解决了传统双大马士革工艺所固有的低槽间的低是也有随之而来的新问题和缺陷，如工艺研发过程中发现的一种金属连线空洞问题。这种金属空洞缺陷会导致金属连线方块电阻升高，增加信号在金属连线中传输所受到的容阻延迟，阻碍信号传输。严重的情况会直接导致金属连线断路，使信号无法传输。同时金属连线中的空洞还会导致严重的可靠性问题，比如应力迁移和电迁移。 本文主要通过对金属连线空洞缺陷发生的环境因素以及通过逐步扫描检查法对工艺因素进行分析，总结了金属连线空洞缺陷的发生条件以及演变恶化过程，明确了金属连线空洞缺陷的成因：金属硬掩膜层的应力使得金属介电层发生弯曲变形，导致金属连线沟槽开口部位缩小，致使铜电镀沉积工艺的时候铜无法沉积进入金属连线沟槽从而形成空洞。 本文提出了调整光刻图形尺寸，零偏差刻蚀以及降低金属硬掩膜层应力三种方法调整工艺达到避免金属连线空洞缺陷的发生，其中控制金属硬掩膜层应力的方法最直接也最有效。 关键词：集成电路半导体工艺，金属连线空洞，金属硬掩膜层，应力 上海交通大学硕士学位论文 N N 55ll ne 5C on of of as in to in in in to At as In of as as of by of of of be to in to is IC 海交通大学硕士学位论文 录 第一章 绪论 1 题研究背景 1 1 5纳米后段引入金属硬掩模层的双大马士革一体化工艺 4 题研究内容和拟解决的关键问题 12 题的研究方法、设计及试验方案 13 第二章 55纳米后段工艺集成中出现的空洞问题 14 5纳米后段工艺集成中出现的空洞问题 14 5纳米后段工艺集成中出现的空洞问题现象描述 14 5纳米后段工艺集成中出现的空洞问题的环境研究 15 5纳米后段工艺集成中出现的空洞问题的工艺研究 19 5纳米后段工艺集成中出现的空洞问题的原因分析 21 章小结 22 第三章 光刻工艺对金属连线空洞缺陷的影响研究 23 刻工艺的基本原理 23 刻工艺对金属连线工艺的影响研究 24 过光刻工艺解决金属连线空洞缺陷的研究 28 章小结 30 第四章 刻蚀工艺对金属连线空洞缺陷的影响研究 31 蚀工艺的基本原理 31 过刻蚀工艺解决金属连线空洞缺陷的研究 32 章小结 37 第五章 薄膜工艺对金属连线空洞缺陷的影响研究 38 膜工艺的基本原理 38 过薄膜工艺解决金属连线空洞缺陷的研究 38 应力氮化钛薄膜的物理以及工艺特性考察 41 章小结 44 第六章 结束语 46 要工作与创新点 46 上海交通大学硕士学位论文 续研究工作 46 参 考 文 献 47 致 谢 49 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 50 上海交通大学硕士学位论文 V 图 录 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1部抗反射层去除与清洗工艺示意图 8 图1 9 图1 9 图1部抗反射层去除与清洗工艺示意图 10 图1大马士革一体化工艺完成形貌示意图 10 图1 11 图1 11 图1 12 图1 13 图2 14 图2 15 图2 16 图2 17 图2 17 图2 18 图2 19 图2 20 图2籽晶物理气相淀积之后的对比图 21 图2 22 图3 23 图3 25 图3 26 图3 27 图3 27 图3 28 上海交通大学硕士学位论文 3 30 图5 40 图5 43 图5 43 图5 44 上海交通大学硕士学位论文 录 表1 2 表3 28 表3 29 表4 33 表4 34 表4 35 表4 35 表4 36 表5 39 表5 39 表5 41 表5阻特性 41 表5 42 上海交通大学硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪论 题研究背景 马斯爱迪生于1883年发现了爱迪生效应，随后弗莱明于1904年在此基础上发明二极管；然后在1907年，福斯特发明了真空三极管，这是第一种实用三极管，是电子科学技术上的的伟大突破。并在随后的四十年里，真空管统治了整个电子行业。利林费尔德又在1930年首先发现了。1947年的圣诞节前夕，贝尔实验室在发明了晶体管，但是此时发明的晶体管是点接触式2,3，终结了真空管统治的时代，这是电子科学技术的又一次伟大发明和突破。而集成电路时代的降临则是从德州仪器公司在1958年才成功开发出全世界第一块集成电路(始。从此之后，集成电路开始统治世界。这场巨大变革冲击着电子行业以及计算机行业，并带来了极其巨大的变革。这就是电子科学技术领域在二十世纪的的第三次伟大变革。后世界上第一个用二氧化硅作栅介质的此以后，过去的数十年之间，产以及设计工业都取得了令人震惊的成长。 1962年业界生产出了十二个晶体管所组成的小规模集成电路； 1966年集成电路技术发展到可以实现集成度为数百甚至上千个晶体管的中规模集成电路； 随后在七十到八十年代，集成电路技术已经可以生产制造十万个晶体管级别的大规模集成电路； 1977年世界上开发出了可以在三十平方毫米的芯片上集成超过十五万个晶体管的超大规模集成电路，这是电子技术的再一次伟大突破。在此之后，人们便开始走入微电子纪元； 1993年诞生了集成度超过一千万晶体管的存储器。伴随着集成度超过一千万颗晶体管级别的集成电路的诞生，人类开始了特大规模集成电路时代； 1994年世界上首次开发成功集成度达到一亿颗晶体管的1G 动态存储器，随后便进入了巨大规模集成电路的时代。 上海交通大学硕士学位论文 - 2 - 表1 表1he 间 技术 栅极宽度 （微米） 主要作用 1960 金属5 1966 多晶硅自对准栅极 减少覆盖电容 1969 掺杂离子注入沟道 开启电压调制以及抑制段沟道效应 1979 金属硅化物源漏以及多晶硅栅极 1 减少多晶硅栅极以及源漏的串联电阻 1980 源漏侧壁以及浅掺杂源漏 制热载子效应 1982 自对准金属硅化物工艺 减少多晶硅栅极以及源漏的串联电阻 1982 源漏自对准注入区 实现超浅结与降低串联电阻 1982 浅槽隔离 缩小隔离区以及增强隔离 1983 掺氮的氧化硅栅介质 防止栅极击穿，提高器件可靠性 1985 源漏的口袋型掺杂 制短沟道效应 1986 986 倒退井注入掺杂 制短沟道效应，提高沟道迁移率，调节阈值电压 1987 100纳米的 1989 化学机械抛光（ 实现全平面工艺 1992 大马士革铜互连工艺 实现铜互连引线的问题 1993 铜互连引线 减小互连引线电阻，抗电迁移 1999 2000 20纳米的 2002 极薄体绝缘层上附硅 2003 极薄体绝缘层上附硅 目前世界已经进入以信息化为标志的二十一世纪这个社会时代。整个世界以上海交通大学硕士学位论文 - 3 - 的所有部分全部都通过信息、宽带以及网络系统成为了一个高度整合的整体。这个整体由网络，光纤，无线通讯和通讯卫星群以光速来传播信息。而在这之中，实现整个世界信息化的关键工具以及技术，无论是个人电脑，大型服务器，通讯手段还是各种网络以及设备，这其中所有的核心以及基础都是电子科学与技术其中的微电子，全称即是微型电子学。而集成电路技术又是整个微电子技术中的核心与关键。集成电路技术即通过一整套制定的工艺流程加工，将极管，二极管，功率器件等有源器件和电感、电阻以及电容等无源器件，遵照设计好的金属连线，组合集中在单个半导体衬底晶片上，最后通过一套封装工艺流程，通过一个外壳将其封装在内，其功能用于按照设计好的电路执行指定的功能。可以看出，整个集成电路产业的意义非常重大，其重要性亦非常之高。现代社会中半导体产值所占的比例被用于判断是否进入信息化社会的判据。而半导体产值达到甚至超过国家总产值的千分之五的话，就是进入了信息化社会。目前互补型金属成电路是整个集成电路产业中中最重要的部分，其份额占据了整个集成电路产品市场百分之九十五以上。 在个技术发展一直自遵循着个集成密度会提高一倍。而这个规律自从个规律被命名为摩尔定律，是因为这个规律是由摩尔博士在研究8 。而目前的实际的这每一次个时可以获得大概百分之四十的性能提高，同时换算为存储量，存储器的存储量会增加大概四倍。这个规律自从导体技术发展的技术蓝图（是国际半导体工业协会依据摩尔定律所制定的未来集成电路工业发展蓝图19。按此蓝图，到2016年，加整体集成度。但是，器件性能和电路性能会因为器件尺寸的不断减小而产生影响。所在减小器件尺寸，增加集成度的同时，器件尺寸的缩小遵循一定的规则才能够使电路性能不断改善。0。目前，按比例缩小理论一直在支配 4 - 缩小，按比例缩小理论已经成为于器件内的电场与影响器件性能的诸多效应有关，维持器件内部的电场保持不变便成为了该理论的基本起点，因此可以避免电场增强带来的种种问题。而这种保持按比例缩小的过程中电场不变的规则就叫做恒定电场规则。目前实际中所使用的按比例缩小规则是在电场不变规则的基础上建立的更加复杂的理论。但是，局限性同样也存在在按比例缩小理论中。在带宽度、功函数差以及比例缩小的理论会因此受影响而无法做到精确，从而影响到随着技术发展段金属导线也越来越复杂和重要。传输电流以及信号则是金属连线的作用。但是阻容迟滞会在导线与介质层结构中出现，导致电流波动、导线之间的干扰以及功率损耗等。于电流的传导的需求，金属互连的阻容迟滞必须尽量减小。后段金属互连工艺开始被引入，这是为了减小阻容迟滞。同时，单大马士革工艺以及双大马士革工艺为了铜后段金属互连工艺而开发出来，从此5纳米后段引入金属硬掩模层的双大马士革一体化工艺 根据摩尔定律的预测，目前已经进入了纳米级别。目前的超高集成度的集成电路中的其中的数量巨大的的甚至达到了八层的高密度金属互连，此时由些金属互连所带来的阻容迟滞已经是阻碍这种超高程度集成电路效能以及速度的关键因素。基于这个因素的推动，后段互连减少了金属互连间的电阻以及增强的金属互连间的可靠性。而低介电系数材料取代二氧化硅成为金属互连间的绝缘介质，低介电系数材料则减少了金属互连之间的寄生电容以及阻容迟滞。 因为金属铜在刻蚀过程中无法生成可挥发产物，铜后段互连无法使用传统铝后段互连工艺的去除刻蚀法实现，所以双大马士革工艺便被发展出来。双大马士革工艺是通过先刻蚀出的连通孔，然后在金属介电层中刻蚀出金属连线沟槽，灾后一次性在连通孔和金属连线沟槽中通过电镀沉积铜，最后使用化学机械抛光工艺将铜研磨至金属介电层的表面，最后便实现了铜后段互连。 上海交通大学硕士学位论文 - 5 - 双大马士革工艺有几种实现方法：先刻沟槽法，先刻通孔法，自校准双大马士革法。比较常用的方法是先干刻通孔法。下面简单介绍先刻通孔法的工艺流程。 图1图1先晶圆覆盖上光阻，曝光显影后干法刻蚀穿过表面硬掩膜层和层间介电质停在最底部的氮化硅阻挡层。其中很重要的一点是通孔刻蚀不能把最底部的氮化硅阻挡层击穿，否则阻挡层下面的金属铜会被溅射到连通孔中，而且迅速渗入到层间介质中，导致器件故障。接下来去除通孔光阻，重新涂覆光阻，曝光显影后形成沟槽的光阻，其中有一部分光阻留在通孔中，这部分光阻能够防止下半部分的通孔在沟槽干刻过程中被过分刻蚀。然后干法刻蚀形成沟槽，并去除沟槽光阻。最后，进行金属阻挡层、铜籽晶和铜的沉积，并用化学机械抛光将铜平坦化。 如果先做沟槽，再做通孔，在沟槽刻蚀结束涂覆光阻时不可避免会有光阻堆积效应，因为光阻会堆积在沟槽里，由于通孔显影区光阻过厚，曝光后的通孔图形容易偏差，这样给通孔干刻带来了很大的难度。因此，术后就被淘汰了。自校准双大马士革工艺也因为校准工艺难度很大被淘汰。先上海交通大学硕士学位论文 - 6 - 做通孔的工艺在使用随着器件尺寸的不断缩小，要求具有更低使用某些极低且低而容易被高能量攻击。随着半导体技术进入65蚀工艺必须非常温和才能将光刻图形最真实地转移下来，并最大可能避免外形轮廓受损。 在进入55槽的刻蚀工艺尤其具有挑战性。由于沟槽的深宽比越来越大，传统的双大马士革工艺所采用的氮化硅硬掩膜层或者低温氧化层硬掩膜层已经无法满足在沟槽刻蚀的同时保护沟槽之间的低于和低致在刻蚀完成之后会出现低终导致完成的金属连线之间的间距过小，容易发生金属连线之间的桥接漏电或者金属连线之间的直接击穿。 为了消除低5开发出双大马士革一体化工艺(a ll 以有效避免顶部圆弧状轮廓以及沟槽宽度的扩大，避免在主刻蚀时沟槽变形。以下是引入了金属硬掩膜层的双大马士革一体化工艺流程： 图1he 首先在低积一上海交通大学硕士学位论文 - 7 - 层厚度为500的后在积一层厚度为300的氮化钛后在氮化钛金属硬掩膜层顶部通过化学气相淀积沉积一层厚度为50的氧化硅作为覆盖层。至此，金属硬掩膜层工艺的层叠结构已经完成，如图1下一步涂覆底部抗反射层（及光阻，在曝光显影后形成沟槽的图形。如图1图1槽光刻完成后进行金属硬掩膜层的刻蚀。首先通过干法刻蚀将底部抗反射层和氧化硅覆盖层刻蚀穿透，下一步将氮化钛金属硬掩膜层刻蚀穿透，最终刻蚀停在氮化钛金属硬掩膜层下层的图1在金属硬掩膜层刻蚀工艺完成之后，通过等离子体干法刻蚀以及湿法刻蚀将残留的光阻，底部抗反射层和刻蚀工艺过程中产生的聚合物残留去除清洗干净。至此，沟槽的图形已经成功转印在氮化钛金属硬掩膜层上。如图1上海交通大学硕士学位论文 - 8 - 图11部抗反射层去除与清洗工艺示意图 R 一步开始进行第二次光刻，此次光刻的目的是形成和下层金属连线之间的连接孔。与第一次沟槽图形光刻相同，在覆盖上底部抗反射层（及光阻之后，进行光刻显影以形成连接孔的图形。如图1上海交通大学硕士学位论文 - 9 - 图1ia 1ia 完成连接孔光刻之后，开始进行部分连接孔刻蚀（ia 干法刻蚀将底部抗反射层和后继续刻蚀低蚀到低成部分连接孔（如图1完成部分连接孔刻蚀之后，通过等离子体干法刻蚀以及湿法刻蚀将残留的光阻，底部抗反射层和刻蚀工艺过程中产生的聚合物残留去除上海交通大学硕士学位论文 - 10 - 清洗干净。如图1图1部抗反射层去除与清洗工艺示意图 R ia 完成部分氮化钛金属硬掩膜层刻蚀成形以及连接孔部分刻蚀之后，直接同步开始沟槽等离子刻蚀与连接孔等离子刻蚀。由于沟槽的图形已经转印在氮化钛金属硬掩膜板上，可以直接进行沟槽的等离子刻蚀，而且由于已经完成了部分连接孔刻蚀，在连接孔继续刻蚀直至停止在碳化硅停止层（时，金属连线沟槽也会同步刻蚀直至成型。刻蚀完成之后的金属连线沟槽深度为2000，连接孔深度为3600。最后通过湿法清洗将刻蚀反应残余的聚合物残留以及最表层氧化硅覆盖层残余清洗去除干净。此双大马士革一体化工艺已经完成，当层金属连线沟槽以及与下层金属连线连接的连接孔已经成型。金属连线与连接孔完成形貌如图1图1大马士革一体化工艺完成形貌示意图 ll ne 海交通大学硕士学位论文 - 11 - 最后，进行金属阻挡层、铜籽晶和铜的电镀沉积，并用化学机械抛光将铜平坦化。在化学机械抛光研磨的过程中，会将之前形成的氮化钛金属硬掩膜层以及图1图1MP 1MP 海交通大学硕士学位论文 - 12 - 图1u 统工艺中由于低温氧化硅硬掩膜层刻蚀选择比较低会造成刻蚀完成之后沟槽之间的低时还会导致沟槽间的低采用了引入金属硬掩膜层的双大马士革一体化工艺之后，由于金属硬掩膜层在沟槽刻蚀和连接孔刻蚀中对低上这些问题都得到了非常明显的改善。最终完成形貌的图中可以看出，在沟槽刻蚀完成之后，沟槽之间的低且顶部的氮化钛金属硬掩膜层基本没有损失，低题研究内容和拟解决的关键问题 在实际生产应用引入金属硬掩膜层的双大马士革一体化工艺的过程中解决了传统双大马士革工艺所固有的低槽间的低是也有随之而来的新问题和缺陷，如在工艺研发的过程中发现的一种金属连线空洞问题，如图1上海交通大学硕士学位论文 - 13 - 图1he ll ne 种金属空洞缺陷会导致金属连线方块电阻升高，增加信号在金属连线中传输所受到的容阻延迟，阻碍信号传输。严重的情况会直接导致金属连线断路，使信号无法传输。同时金属连线中的空洞还会导致严重的可靠性问题，比如应力迁移和电迁移。综上所述这种金属连线中的空洞是不可接受的。本论文的主要研究内容就是明确金属空洞的产生原因，解决方法以及随后的工艺参数匹配。 题的研究方法、设计及试验方案 本文计准备从缺陷扫描开始确定导致金属空洞的工艺。从金属铜连线抛光工艺之后扫描得到的缺陷分布图以及对缺陷观察得到的电子显微镜放大照片，确认金属空洞出现的弱点。随后从金属连线沟槽光刻开始，依据之前得出的金属空洞出现规律以及版图弱点，逐步确认缺陷扫描结果，一直到铜金属抛光工艺结束。这样依据逐步扫描确认的形貌变化以及缺陷数据，即可判断出导致金属连线空洞出现的具体工艺以及机理。 随后根据缺陷产生的机理采取相对应的工艺调整以实现消除金属连线空洞的目的。根据目前的初步判断，通过以下三种方法实现消除金属连线空洞缺陷的目的：（1）调整沟槽以及连接孔的光刻尺寸，（2）调整氮化钛金属硬掩膜层刻蚀工艺，（3）调整物理气相淀积工艺所沉积氮化钛金属硬掩膜层的应力。前两种方法是为了增加低削弱氮化钛金属硬掩膜层的应力影响，后一种方法是为了直接削弱氮化钛金属硬掩膜层自身的应力。 上海交通大学硕士学位论文 - 14 - 第二章 55纳米后段工艺集成中出现的空洞问题 5纳米后段工艺集成中出现的空洞问题 5纳米后段工艺集成中出现的空洞问题现象描述 随着技术发展，在实际的55纳米工艺生产过程中应用引入金属硬掩膜层的双大马士革一体化工艺的过程中解决了传统双大马士革工艺所固有的低槽间的低是也有随之而来的新问题和缺陷，如在工艺研发的过程中发现的一种金属连线空洞，这种新发现的金属连线空洞的扫描电子显微镜图像如图2图2he ll ne 进一步深入了解这种金属连线空洞的性质以及产生原因，通过使用聚焦粒子束（备截面样品以及穿透式显微镜（察其截面形貌。这种金属连线空洞的横截面形貌如图2上海交通大学硕士学位论文 - 15 - 图2he of ll ne 图所示，这种金属空洞的成因是金属导线沟槽两侧的介电层绝缘体由于某种原因同时向金属导线沟槽弯曲变形，最后导致金属导线沟槽上部开口尺寸过窄。在随后的铜金属电镀沉积工艺中，过小的金属导线沟槽上部开口导致铜金属无法电镀沉积进入金属连线沟槽内，最终形成这种金属连线中的空洞。 这种金属空洞缺陷会导致金属连线方块电阻升高，增加信号在金属连线中传输所受到的容阻延迟，阻碍信号传输。严重的情况会直接导致金属连线断路，使信号无法传输。同时金属连线中的空洞还会导致严重的可靠性问题，比如应力迁移和电迁移。而金属连线之间的介电层弯曲变形还很有可能导致邻近的金属连线之间的漏电，击穿电压下降等可靠性问题，以及有可能带来后续化学抛光研磨工艺之中研磨不彻底而遗留金属残留导致短路，漏电等问题。综上所述这种金属连线中的空洞是完全不可接受的，必须消除。但是首先需要就其产生的原因以及产生过程进行研究，针对其产生的过程改进后段集成工艺以达到消除这种金属空洞的目的。 5纳米后段工艺集成中出现的空洞问题的环境研究 为了确认55纳米后段工艺集成中出现的空洞问题的产生过程，本文采用逐步确认的方法来仔细观察这种空洞缺陷。需要通过大量扫描采样确认此种空洞缺陷容易发生的结构和特性，即55纳米后段工艺集成中的工艺弱点部位。先从缺陷的上海交通大学硕士学位论文 - 16 - 分布开始，了解金属连线空洞缺陷的分布特性，随后是缺陷产生的环境特性，最后是导致缺陷发生以及恶化的工艺特性，然后再依靠所收集到的信息和资料来判断金属连线空洞缺陷产生的原因以及机理。 首先选取2片晶圆进行整片晶圆的缺陷扫描，在对扫描结果判断排除之后，金属连线空洞的整片晶圆分布图如图2中白色矩形方格为每次曝光的曝光区域，黑点为整理以后扫描发现的金属连线空洞缺陷，黑点出现的位置即为金属连线空洞缺陷的位置。从分布图中可以看出此种金属连线空洞缺陷在晶圆边界出现的相对更多，而并非在整片晶圆之中随机分布。因此，这种金属连线空洞缺陷应该是更容易出现在晶圆的边界区域，而不是中心部位。 图2he of 了确认晶圆边界更容易发生金属连线空洞缺陷的结论，针对金属连线空洞缺陷的多发位置，设计了一个新的实验来验证。每次都扫描单个曝光区内相同位置，同时从晶圆最左侧到最右侧曝光区域依次扫描，由此来确认同一个位置结构和环境出现金属连线空洞缺陷的可能性是否是在晶圆边界更高，以做到进一步肯定此种金属连线空洞缺陷在晶圆边界发生概率更高的结论。试验结果如图2中晶圆最左侧以及最右侧均出现了金属连线空洞缺陷，而晶圆中间部分并没有发生，从试验结果中我们可以确认此种金属连线空洞缺陷在晶圆边界区域比晶圆中心区域更容易发生。 上海交通大学硕士学位论文 - 17 - 图2he at to 确认了晶圆边界更容易发生金属连线空洞缺陷之后，我们开始着手调查此种金属连线空洞缺陷的发生规律，探求发生金属连线空洞缺陷的弱点区域。首先大量游览检查金属连线空洞缺陷扫描照片，如图2图2he EM 海交通大学硕士学位论文 - 18 - 图2中的照片均出自不同的晶圆和不同的位置。从大量的金属连线空洞缺陷扫描照片中我们可以发现这种金属连线空洞缺陷基本上