（微电子学与固体电子学专业论文）vlsi铜互连可靠性tddb特性及其寿命评估模型研究.pdf

摘要 摘要 随着超大规模集成电路的发展，特征尺寸不断减小，r c 延迟取代门延迟成为 制约电路发展的主要瓶颈。在这种情况下，铜互连代替铝互连成为集成电路深亚 微米工艺中的关键技术，但是由于工艺的不同，使得铜互连与铝互连相比，出现 了许多新的可靠性问题。 在各种可靠性问题中，随着特征尺寸的减小、互连线内部电场强度不断增大以 及低k 介质材料的应用，时间相关介质击穿( t d d b ) 问题逐渐成为最严重的可靠 性问题之一。由于铜互连和铝互连材料特性的不同，使得铜互连双大马士革结构 中必须添加阻挡层，而阻挡层的存在使得铜互连中的t d d b 退化和铝互连中未添 加阻挡层时有很大的不同。传统的t d d b 失效机制不再适用。本文分析了加入了 阻挡层的t d d b 退化现象，建立了新的铜互连t d d b 退化的物理模型。并且在该 模型的基础上求解得到了更加精确的铜互连t d d b 的寿命评估模型。本文所建立 的寿命评估模型在考虑了电场、温度和互连线间距的影响作用下，引入了全新的 电场加速因子，通过对比在s i o x 和s i n x 介质中t d d b 失效时间对温度变化曲线， 本文建立的模型所预测的t d d b 寿命可以非常好的与实验数据的结果相符合。并 且，通过和e 模型的对比发现，在高电场强度( 1 0 m v c m ) 的情况下，在s i o x 介 质层中，e 模型的寿命大约低估了4 0 。 此外，在本文所建立的t d d b 退化模型中，将互连间距l 引入电场加速因子 使得互连线的可靠性问题需要重新审视，加入的互连间距l 使t d d b 寿命的预测 变得更加准确。通过模型的计算，从理论上得到7 0 n m 这样一个可能引发t d d b 可靠性严重问题的互连间距临界值。最后，针对t d d b 退化为今后铜互连工艺的 发展提出了参考意见。 关键词：铜互连时间相关介质击穿寿命评估模型可靠性 a b s t r a c t ab s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u e ds c a l i n go fa d v a n c e dv l s ic i r c u i t sa n da p p l i c a t i o no fl o w k d i e l e c t r i cm a t e r i a l s ，t h et i m e d e p e n d e n td i e l e c t r i cb r e a k d o w n ( t d d b ) h a sb e c o m eo n e o ft h em o s ts e r i o u sr e l i a b i l i t yi s s u e s t h ee x i s t e n c eo ft h eb a r r i e r sm a k et h et d d b f a i l u r em e c h a n i s mi nc ui n t e r c o n n e c t ss od i f f e r e n tf r o mt h ea li n t e r c o n n e c t sw i t h o u t b a r r i e r s t h et r a d i t i o n a lt d d bf a i l u r em e c h a n i s mi sn ol o n g e ra p p l i c a b l e i nt h i sp a p e r , a n a l y z i n gt h et d d bf a i l u r ep h e n o m e n aa n de s t a b l i s h i n gt h ep h y s i c sm e c h a n i s mf o r t d d bd e g r a d a t i o n t h eg e n e r a lc o n t i n u i t y e q u a t i o no nc u + d i f f u s i o na n dd r i f ti s i n v e s t i g a t e d a ni m p r o v e dc ui n t e r c o n n e c tt d d bl i f e t i m em o d e lw a sa c q u i r e d t h e i m p r o v e dm o d e lp r e s e n t e dh e r ei n t r o d u c e sac o r r e c t i o n a lf a c t o ra n dt a k e si n t oa c c o u n t t h ee f f e c t so fe l e c t r i cf i e l d s ，t e m p e r a t u r e ，a n di n t e r c o n n e c tl i n es p a c i n g t h ep r e d i c t i o n s o ft h en e wm o d e lr e g a r d i n gt d d bl i f e t i m ev s t e m p e r a t u r e a g r e ew i l lw i t ht h e p r e v i o u s l yp u b l i s h e de x p e r i m e n t a ld a t ai nt h ed i e l e c t r i co fs i o xa n ds i n x f u r t h e rm o r e ， c o n t r a s t i n gt ot h eem o d e l ，i ti sf i n dt h a tt h eem o d e lo v e r e s t i m a t e sa b o u t4 0 o ft h e l i f e t i m ef o rs i o xa th i g he l e c t r i cf i e l d ( 10 m v c m ) i na d d i t i o n a l ，i nt h i s p r o p o s e dp h y s i c sm e c h a n i s m ，t a k i n gt h ei n t e r c o n n e c tl i n e s p a c i n gi n t ot h ee l e c t r i ca c c e l e r a t i o nf a c t o rm a k et h et d d br e l i a b i l i t yi s s u en e e dt ob e i n s p e c t e da g a i n t h ei m p r o v e dl i f e t i m em o d e lw i t ht h ee f f e c to ft h ei n t e r c o n n e c tl i n e s p a c i n gc a np r o v i d em o r ea c c u r a t ep r e d i c t i o n f i n a l l y , f r o mt h ei m p r o v e dl i f e t i m e m o d e l ，a ni n t e r c o n n e c tl i n es p a c i n go f7 0 n mw h i c hm a y b er e s u l ti ns e r i o u sr e l i a b i l i t y i s s u ei sp r o p o s e d a tt h el a s t ，s o m ea d v i c ef o rt h et d d b r e l i a b i l i t yi sg i v e n k e y w o r d s ：i n t e r e o n n e e t i o nt i m e - d e p e n d e n c ed i e l e c t r i cb r e a k d o w n ( t d d b ) l i f e t i m em o d e lr e l i a b i l i t y 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：苤墨主 日期皇i ：3 ：堑 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：彳g 孑 刷币戤：芬红纱 日期j ：堑 日期卫乒硝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 集成电路互连研究的重要性 二十世纪下半叶，电子信息技术经历了发现、发展并走向辉煌的历史，在这 五十年中，以计算机、通信为主的电子信息技术迅速发展，取得了许多里程碑式 的成就。 在支撑电子信息技术的所有技术中，最重要的是微电子技术，它是构成现代 电子信息技术的基础，同时也需要最大的工业基础和资金的支持。数字通信、计 算机和微电子学都属于电子信息领域。其中，微电子学是电路的物质基础，数字 处理是先进的处理方法，最终通过计算机构成应用系统。 微电子技术是最近十几年进步最快的- f - j 技术，微电子技术奠定了信息技术 发展最重要的物质前提，即大规模集成电路。1 9 4 8 年发明的锗二极管是点接型的， 而在1 9 5 8 年，通过平面工艺和光刻技术的引入，德克萨斯仪器公司第一次将四个 晶体管制作在一个硅片上，开创了集成电路的历史。近十几年光刻技术的发展经 历了波长越来越短、控制越来越精密的紫外光、软x 射线、电子束、同步辐射光刻 等若干阶段，而电路集成度则按光刻线条数平方的比例上升。由于线宽减少和工 艺改进，使得集成电路规模和速度不断提高，集成电路的集成度和性能基本上按 照每1 8 个月翻一番的摩尔定律速度前进i l 1 j 。 集成电路行业的高速发展，目前已经达至l j 4 5 n m 以下的工艺水平，随着特征尺 寸的不断减小，芯片内部的连线长度和连线密度都不断的提高，金属布线层数急 剧增加，带来了器件门延迟的相对缩小、互连延迟的相对增加以及金属导线内电 流密度的急剧上升，同时芯片集成度的提高则导致了单位面积的功耗的增大【l 2 j 。 在制造1 2 英寸晶圆的工艺中，超过5 0 的生产成本来自于制造超大规模集成电路的 金属互连布线，这个比例还在不断上升。与此同时，超过8 0 的缺陷和成品率损失 与互连有关，因此互连的可靠性问题成为制造中最重要的问题之一。 在深亚微米工艺下，互连延迟已经超过门延迟成为制约电路性能的主要瓶颈。 为了减少互连线的r c 延迟，可以增加互连线的横截面和线间距，这样可以减少每 一层布线单位的连线长度，提高布线层数。但工艺步骤的增加会导致成本的提高 和成品率的下降【l 3 】。另一方面，在生产中为了缓解由于互连线变窄所造成的电阻 变大的趋势，互连线的高度并没有按照特征尺寸的比例缩小而缩小，使得互连线 高度和宽度的比例不断变大。而在实际的电路布局布线中，相邻金属层中的互连 线往往是垂直交叉走线，所以相邻金属层中互连线间的耦合电容很小，人们往往 2 v l s i 铜互连可靠性t d d b 特性及其寿命评估模型研究 重点考虑同层金属互连线间的耦合电容对互连线r c 延迟的影响i l 4 j ，这也是金属互 连层数不断增加的原因之一。 当器件和互连在三维方向上按比例因子s ( s 为缩小后尺寸和先前尺寸的比值) 缩小时，器件的本征延迟和全局互连延迟会受到不同的影响。器件的本征延迟按s 比例缩小，而全局延迟却按s 2 比例增大，结果就是互连延迟超过器件延迟成为芯 片性能的决定性因素。从2 5 0 n m 技术开始，互连延迟的技术已经超过器件延迟， 成为主要的系统延迟因子。如图1 1 所示l l 5 j 。 图1 1 互连延迟与特征尺寸的关系【1 5 l 总体而言，当集成电路技术的发展进入到深亚微米时代以后，互连已经成为 决定集成电路性能、可靠性和成本的最重要因素之一。在这种情况下，采用新的 低电阻率的金属材料和低介电常数的介质材料( 低k 介质材料) 就成为提高性能 的主要途径之一。 1 2 1 铜互连的发展 1 2 铜互连技术 1 9 8 5 年，i b m 公司开始研发用铜替代铝作为芯片金属互连材料的技术，最终 于1 9 9 7 年9 月在世界上首先研制成功c m o s 7 铜布线工艺，并于1 9 8 8 年9 月1 日开始批量生产铜互连商用i c 。今天，铜互连技术已经广泛的被i n t e l 、t i 、台 积电和中芯国际等大公司采用。一般来讲，o 1 8 1 t m 以下的i c 布线必须要部分或者 全部采用铜互连线，而铜互连线是9 0 n m 及以下节点逻辑产品的标准工艺。在成本 日益下降后，铜互连在存储产品中也开始了普及之路，m i c r o n 、t o s h i b a 、s a m s u n g 等闪存公司也已经在闪存中采用铜工艺。按照目前的发展状态，铜互连技术的应 用可能至少会持续到2 2 n m 工艺技术。 化学机械抛光( c m p ) 技术和双大马士革工艺的发明，为实现c u 互连引线的 第一章绪论 图形加工开辟了道路，而铜扩散阻挡层材料( 比如t a n 等) 的开发和应用，则解 决了长期困扰铜互连工艺的c u 污染问题。图1 0 【。间为铜互连布线的s e m 图和t e m 图。 图1 2 ( a ) 八层铜互莲线的s e m 图( b ) 铜互连的t e m 图像1 1 6 1 2 2 铜互连的优势 集成电路行业发展至今，铜已经取代铝已经成为最广泛应用的互连材料，这 是因为它有铝所不能比拟的优良性质。表l - 1 给出了集中常见物理特性的比较叭7 1 。 表1 _ 1 不同金属材料的物理特性比较 特性 a ia u a g c u 电阻率，( 0 c m 1 )2 4 02 3 51 5 9l _ 7 1 熔点， 6 6 01 0 6 3 9 6 0 1 0 8 3 原子重量 2 6 9 81 9 6 9 61 0 7 跖6 3 5 4 硬度刖 1 52 0 3 02 55 1 热导率，( w 1 1 ) 2 _ 3 83 1 54 2 53 9 8 抗电迁移率低 高很低高 抗腐蚀性高很高 低低 从表1 1 中可以看出，铜互连线之所以被广泛采用，是因为与铝互连相比，有 如下的优点： i 常温下，铜电阻率( 1 7 ) 仅为铝电阻率( 2 4 ) 的6 3 ，这使得相同条件 下铜互连线的r c 延迟大大减小，并使相应的互连线的功耗降低很多。而 高速度和低功耗恰恰是现今消费类i c 最重要的产品性能要求之一。 2 铜的导热系数是铝的近2 倍，散热性能更加优良。 3 铜的抗电迁移能力比铝更强。在同样的条件下，铜发生电迁移的电流密度 上限为5 x 1 0 6 a c m 2 ，远大于铝的上限2 x i o s a c m 2 ；而比较相同晶粒尺寸 下的抗电迁移能力i l m ，铜是0 7 7 e v 左右，纯铝为0 a s e v ，a j - 4 c u 为 4 v l s i 铜互连可靠性t d d b 特性及其寿命评估模型研究 0 5 7 e v ，这大大提高了集成电路的可靠性。 4 铜互连线与低介质常数( k “) 的材料( 取代布线层间的s i 0 2 ) 相结合， 可以进一步减小寄生电容。根据文献【1 9 】的模拟结果若将低k 材料与铜互 连线结合使用，可以简化工艺、降低成本，并将r c 延时降低到原来铝互 连的1 4 1 6 。 5 铜互连线的双大马士革工艺将一层通孔与一层互连线同时制造完成，使得 在同样的工艺步骤数量下，铜互连工艺增加了1 倍的布线层数，从而既降 低了集成电路的制造工艺成本，又通过工艺步骤的减少提高了集成电路的 可靠性。因此，铜布线代替铝布线是互连线发展的一种必然趋势。 综上所述，在抗电迁移率、熔点、热功率等方面，铜比铝和其他金属都 有着更好的综合特性。更重要的是，铜的电阻率仅为铝的约6 3 ，这样可以 有效的降低时延，达到更好的互连特性。 1 2 3 铜互连的可靠性问题 铜和铝相比，其作为互连材料，特性上是有很大差异的，如表1 2 0 1 所示。 表1 2 a l ( c u ) 和c u 的激活能比较 扩散率 a l ( c u ) c u 颗粒边界e vo 8 0 一o 9 60 8 8 一o 9 5 材料边界e v 1 0 1o 7 0 一o 8 6 晶格e v 1 4 02 2 0 从表1 2 可知，对于铝铜合金而言，颗粒边界的激活能为o 8 0 0 9 6 e v ，而界 面与内部相比是最小的，因此在铝铜合金中，颗粒边界占主导地位。同理，铜中 界面扩散占主导地位，铝铜合金有稳定的界面，而铜却没有稳定的界面，从加工 后的连线结构来说，铝连线是平面工艺，而铜互连工艺则是3 d 微结构。这些差异 的不同导致了铜互连工艺出现了很多新的可靠性问题【l 川。 铜互连技术的可靠性是一个重要的问题，随着互连尺寸的减小，变得越发的 重要和明显。其涉及到电迁移、应力迁移、热循环稳定性、时间相关介质击穿 ( t d d b ) 介电应力和热导率等诸多问题2 正1 4 1 。 对于铜互连线来说，电迁移和应力迁移特性、温度循环应力、时间相关介质 击穿( t d d b ) 的影响是可靠性研究的重要内容。通孔和沟槽引线中的空洞( v o i d ) 形成是造成电迁移失效和应力迁移失效的重要因素，通孔中空洞的形成和其底部 的扩散阻挡层以及铜互连线界面的缺陷有关。在无空洞的情况下，电迁移失效的 位置主要发生在通孔的底部。在淀积铜过程中避免空洞的形成是避免电迁移失效 的重要因素。 第一章绪论 5 对于铜互连中的介质层，比如包括低k 材料和扩散阻挡层材料，可靠性问题 涉及到高压电应力、高温度循环应力以及介电导热对介电性能的影响等。对于互 连中的介电材料，我们希望具有尽量低的介电常数和尽量高的击穿特性。互连介 质的可靠性特征，通常与材料性质、制备工艺、材料和工艺的兼容性密切相关。 对于互连材料，必须保证稳定的电学性质，例如平带电压和泄漏电流；而研究在 高电压应力和高温度循环应力的作用下介质材料的c v 和i v 特性是研究其电学 稳定性的常用手段【l i s a 1 6 。研究互连介质层c u 的污染、应力迁移、温度循环、时 间相关介电击穿( t d d b ) 特性则是分析互连介质层可靠性的常用手段i l j 。 1 3 本文研究意义 同传统互连材料铝相比，由于铜具有更高的电导率和更好的抗电迁移特性， 所以目前被广泛的应用在超大规模集成电路的互连中。然而，铜互连中介质层内 的铜的快速扩散，可能会导致很高的泄漏电流和击穿。随着超大规模集成电路， 特别是高性能逻辑器件尺寸的不断减小，要求铜介质材料特性和互连线后端金属 化特性不断提高，以此来减少r c 延迟、噪声串扰和能量损耗。在电场作用下，介 质层内的铜离子的漂移7 2 0 1 ，会产生时间相关介质击穿( t d d b ) ，从而使介质 层的特性发生退化。随着铜互连的尺寸减d , n9 0 n m 以下工艺。介质材料的长期可 靠性问题迅速成为对工艺质量最严重的挑战之一。由于介质材料的本征击穿强度 逐渐减小，时间相关介质击穿( t d d b ) 目前得到了普遍的关注，并被认为是最重 要的可靠性问题之一。 作为一种3 d 过渡金属，铜在硅和硅氧化过渡元素中有着很高的扩散常数i i 2 。 在硅中，它是深能级杂质，并且能在禁带中形成几个施主和受主能级，而这些深 能级会作为复合中心从而导致泄漏电流l l 忍j 。因此，有必要做一个阻挡层来阻挡铜 离子进入硅衬底。国内外广泛进行了许多关于导体阻挡层如t a 、t a 合金i l 乃 乃j 、 t i t i n 以及t i w 【1 2 6 , 1 2 7 】，和介质阻挡层如硅氮化合物的研究。而阻挡层的存在使 得铜互连中的t d d b 退化和铝互连中未添加阻挡层时有很大的不同。传统的t d d b 失效机制不再适用，因此，建立一个新的完善的铜互连t d d b 退化机制变得十分 必要和有意义。尽管现在发表了许多关于铜金属化时间相关介质击穿( t d d b ) 的 论文【1 1 9 , 1 2 2 ，但是大部分只是列出了一下实验数据，基本的物理机制始终还没有 搞清楚。通过应用传统的预测模型e 模型【1 2 8 1 和1 e 模型1 。2 9 】，虽然可以在定程 度上符合铜互连中的时间相关介质击穿( t d d b ) 实验数据结果，但是其理论模型 上的缺陷导致了始终缺乏一个统一的铜互连中介质击穿的物理模型。此外，也发 现e 模型和1 e 模型在应用中存在很大的局限性。因此，非常需要建立一个准确 的铜互连t d d b 寿命评估模型来预测其失效时间。这对未来铜互连可靠性的研究 6 v l s i 铜互连可靠性t d d b 特性及其寿命评估模型研究 具有及其重要的影响。 1 4 论文的章节安排 本文主要研究了铜互连中时间相关介质击穿( t d d b ) 的退化机制，并对其建 立了失效物理模型和寿命评估模型。在各种温度、电场强度和互连线间距的条件 下对t d d b 退化进行了分析。具体的章节安排如下： 第一章为绪论，论述了铜互连技术的发展和课题研究的主要内容。 第二章为铜互连工艺，总结分析了铜互连发展的相关工艺技术，对铜互连的 双大马士革工艺、淀积工艺、化学机械抛光平坦化工艺( c m p ) 以及因为材料特 性不同而加入的阻挡层工艺进行了总结归纳，对铜互连引入集成电路造成的影响 进行了分析，并展望了铜互连工艺未来的发展。 第三章为铜互连可靠性的基本理论，归纳分析了在铜互连中的各种可靠性问 题，由铜、铝互连材料和工艺的不同引入，深入研究了铜互连中的电迁移、多层 金属化系统、时间相关介质击穿等可靠性问题，最后提出了一些改进铜互连可靠 性问题的方法。 第四章为铜互连中t d d b 退化机制和影响因素，详细分析了由于铜互连和铝 互连材料特性、集成工艺不同和添加阻挡层所造成的对时间相关介质击穿( t d d b ) 的影响。研究了铜互连中的t d d b 失效机制。并总结了击穿电场、温度、材料特 性、c m p 工艺、互连边缘粗糙程度和互连增强效应对t d d b 退化的影响。 第五章为铜互连的t d d b 模型研究，建立了铜互连t d d b 退化的物理模型， 通过求解得到了关键模型参数，从而确定了铜互连的寿命评估模型。在不同电场 强度和互连线间距下与实验数据进行了对比，得到非常好的符合。此外，将该模 型与e 模型对比发现，e 模型在高电场强度下( 1 0 m v c m ) 计算出来的失效时间 大约低估了4 0 。通过将互连线间距引入电场加速因子，得到了一个理论上可能 会引发互连线可靠性问题的间距叫0 n m 。为今后的铜互连发展提供了参考。最 后提出了改进t d d b 失效的一些措施。 第六章为结束语，对全文工作进行总结，指出课题研究取得的成果和不足的 地方，并对下一步工作进行了展望。 第二章铜互连工艺 7 第二章铜互连工艺 本章首先分析了使铜互连应用取得突破性发展的双大马士革工艺、淀积工艺 和化学机械抛光( c m p ) 平坦化工艺技术，其次对因为材料特性不同而加入的阻 挡层工艺进行了研究，并对铜互连引入集成电路造成的影响进行了分析，最后展 望了铜互连工艺未来的发展。本章主要对铜互连的相关工艺进行了总结分析，重 点对铜互连与传统铝互连不同的工艺进行了比对，讨论了其导致的问题和影响。 为本文以后可靠性问题的研究作了基础和铺垫。 2 1 铜互连的双大马士革工艺流程 铜互连工艺的发展道路并不平坦，由于铜和铝的材料特性的不同，使得铜互 连的加工必须采用全新的工艺。但是光刻和污染的问题使得铜互连的应用进展十 分缓慢，直到双大马士革工艺和化学机械抛光( c m p ) 技术的出现，铜互连工艺 才得到了突破性的发展。 双大马士革结构工艺是铜互连集成技术普遍采用的工艺方案，具有互连引线 沟槽与互连通孔同时淀积填充的特点，而且只需进行导电金属层的c m p 工艺。图 2 1 为传统铝互连工艺同双大马士革结构铜互连集成工艺流程的对比图。双大马士 革结构铜互连的具体工艺步骤为：( 1 ) 在前层的互连层平面上淀积一层薄的刻蚀 停止层，如s i n ；( 2 ) 淀积厚的互连介质层材料，如s i 0 2 或低k 介质材料； ( 3 ) 光刻形成引线沟槽的光刻胶掩模图形；( 4 ) 以光刻胶作掩模在介质层上刻蚀形成 引线沟槽；( 5 ) 去光刻胶掩模；( 6 ) 光刻形成通孔的光刻胶掩模图形；( 7 ) 以 光刻胶做掩模刻蚀通孔，由于刻蚀停止层高的刻蚀选择性，通孔刻蚀过程在停止 层自动停止；( 8 ) 除去光刻胶掩模；( 9 ) 除去刻蚀停止层；( 1 0 ) 利用清洁工 艺，在有效清洁铜金属表面的氧化层和介质通孔、沟槽和表面的刻蚀残留( 主要 是铜离子) 后，溅射淀积金属势垒层和铜籽晶层； ( 1 1 ) 利用电镀等工艺进行填 充淀积直至通孔和沟槽中填满铜为止；( 1 2 ) 利用c m p 去除沟槽和通孔之外的铜， 在进行有效清洁后淀积介质势垒层材料，然后开始下一互连层的制型2 。 从图2 1 的工艺流程中可知，为了防止铜的污染和难以刻蚀的问题，铜互连关 键工艺中需要引入阻挡层、c m p 平坦化、专门的通孔技术和通孔材料，以及残余 杂质的清洁等工艺，这些新技术的引入均导致铜互连出现新的可靠性问题。 v l s i 铜互迕可靠性t d d b 特性及其寿命评估模型研究 需i 露啊j 溅射锚 _ 一 | _ f 肝一z i _ _ t _ i d诛啦 。， e 3 i a 删 。霉墨黑1 1 。= _ ；i _ l 光刻 【盖h o t ， x ，圃 匮霎耍鍪i ” ” 口j 日 口墨曩曩曩士j i 翮刻蚀铝 0 二二：邕美盐j 气， 一7 ? i i i 叠黧i o 日 女胶 a i 互连流程 勉一 + 一j o h e c u 。+ 2k ，了 。夕z o + 一 + l c 邙电 臼， 哦眠 还原反应：c u 2 + + 2 e _ c u o 式( 2 1 ) 但事实上，化学镀过程非常复杂，其中还包含有大量的副反j 立【2 5 】，如康尼查 1 0 v l s i 铜互连可靠性t d d b 特性及其寿命评估模型研究 述副反应，可加入稳定剂如联吡啶，氰化钠等，不过这些稳定剂易降低镀速，因 而人们推荐利用压缩空气鼓泡来抑制副反应。由于大量的随机因素。因此对化学 镀机理需要进一步的研究。 电镀铜的沟槽及孔洞填充能力要优于化学镀铜，因为其淀积参数易于控制。 电镀铜如化学镀一样简单而低成本。其淀积速率非常快，通常超过3 5 0 0 a m i n ，而 且，由于其在常温下淀积，因而与低k 材料工艺兼容。淀积所用镀浴为硫酸铜溶 液，其淀积过程包括硫酸铜的解离和铜离子的还原两个步骤。由于阴极( 还原) 反应需要提供电子，因此电镀铜需要一个初始导电层，同化学镀一样，其最佳籽 层就是铜自身，亦可由溅射或化学气相淀积获得。此外，电镀铜的微结构取决于 籽晶层，这一点与化学镀相同。 影响铜电镀过程的因素有：薄膜形态、填充能力、均匀性和沉积速率。电镀 的关键在于解决顶部和底部的均匀性，这可以通过控制电场大小和添加有机添加 剂来调节。同时，铜的电镀也要考虑其他问题，如铜污染问题。更不能让晶片底 部接触铜，否则会使器件出现严重的问题。 2 3 铜的平坦化工艺( c m p ) 铜的化学机械抛光( c m p ) 是用来除去多余的铜和阻挡层材料，并使晶片表 面平整，这是一个化学过程和物理过程同时起作用的过程1 2 。6 j 。对铜而言，由于铜 膜不易通过干法腐蚀，c m p 是使互连线得到全局平整的最佳方法。 c m p 是利用按一定速率旋转的特制磨头，在抛光液中与硅片接触，发生化学、 物理作用，实现对硅片表面的抛光和平坦化。在c m p 中，机械研磨和化学腐蚀分 别起到了重要的作用。机械研磨是在加了微小化学物质颗粒的抛光剂中进行，在 研磨过程中化学腐蚀也在同步进行。化学腐蚀可以通过选择抛光剂的化学成分和 p h 值来控制，抛光剂的化学物质和研磨出来的颗粒发生反应，加速研磨的速度并 减小了对晶片表面的划伤。需要注意的是，如果研磨出的颗粒较多，就会导致表 面划伤和研磨的不均匀。反之，如果抛光剂中的化学物质偏多，就会因为其对不 同材料的刻蚀速度不同，导致抛光表面不均匀。所以，可以通过控制抛光剂中的 颗粒大小、百分比、研磨时的转速等条件来控制c m p 的程度。 对于双大马士革结构而言，c m p 技术比铜的淀积更有挑战性。其困难在于新 的阻挡层材料、粘结剂的缺乏和铜本身的缺陷。同时，c m p 技术是和铜材料的应 用、阻挡层和电镀工艺一起发展起来的，属于比较新的技术。目前，c m p 的图形 化效应( d i s h i n ge f f e c t ) 是铜互连线中的一个难题，即抛光过程中由于化学腐蚀和 研磨产生的厚度减小和表面不够平整的现象。铜互连线的线条越窄，情况就越严 重，这需要通过进一步改进工艺来解决。 第二章铜互连工艺 2 4 铜互连中的扩散阻挡层 2 4 1 铜互连中阻挡层的必要性与基本要求 铜由于其优越的材料特性而取代铝成为首选互连材料，然而铜带来的污染问 题也不容忽视。为了使铜得以广泛应用，合适的铜扩散阻挡层非常关键。这主要 因为以下的一些原因： 1 铜在空气中和低温( 2 0 0 ) 下易被氧化，而且在其表面不会形成致密的 氧化物保护层阻止铜进一步被氧化或被腐蚀； 2 铜在氧化硅和硅中都有着极高的扩散速率，如果铜扩散穿过二氧化硅进入 硅晶格中将产生杂质能级，这些杂质能级将会形成自由载流子的复合或产 生中心，从而使晶体管的性能降低，漏电流增大。另一方面，当铜在场氧 化层中出现时会导致阈值电压漂移，而当铜在互连线间介质层中出现时会 引起寄生漏电流； 3 与铝相比，铜对于二氧化硅的粘附性能非常差，在自然条件下，淀积的铜 是多晶结构，而在使用中更希望是 晶向。不同的晶向对于电阻、应 力、粘附强度、以及抗电迁移能力的影响都非常大。 因此，为了防止铜扩散到器件区域，铜互连线结构需要被一层薄膜阻挡层在 各个方面完全保护、完全密封起来。该扩散阻挡层薄膜必须粘附性好并有效防止 铜的扩散。而这两个要求却相互影响和制约，因为好的粘附性需要某种程度的反 应；而好的阻挡层金属却需要和铜之间没有反应。因此，必须在二者之间有一个 折中的平衡。 综上所述，目前对于铜互连工艺研究的一个重要方面就在于寻找合适的铜扩 散的阻挡层。对铜来说，对其阻挡层有如下特殊要求【2 7 】： 1 阻挡层薄膜在热力学上应与互连材料保持稳定，且二者之间应具有良好的 附着性。它必须在所有后续工艺的温度( 4 5 0 5 0 0 ) 条件下有效防止 铜扩散，且能防止铜被氧化腐蚀。 阻挡层薄膜还应具有优良的电导特性。它的电阻率至少要小于6 0 0 1 , t o c m 。 这样才能保持整个铜扩散阻挡层复合结构的电导率保持在一定的范围内。 以满足先进的互连要求。 对介质材料和铜都有良好的附着能力。就是要求该扩散阻挡层既要和下面 的介电材料粘附良好，同时又要保证铜膜在它上面可以附着良好。 该扩散阻挡层必须和金属层有非常低的接触电阻，同时该接触界面要求有 非常好的抗电迁移的特性。 具有良好的台阶覆盖和填充高深宽比间隙的能力。随着几何尺寸的不断缩 2 3 4 5 12 v l s i 铜互连可靠性t d d b 特性及其寿命评估模型研究 小，金属将被淀积在具有高深宽比的通孔中，这对扩散阻挡层的淀积也提 出了要求。 6 该扩散阻挡层还要求能提供易于其后铜籽晶层成核淀积的表面。因为扩散 阻挡层表面状况及微结构能强烈影响所淀积铜的晶体结构的晶粒尺寸，而 这些将决定电迁移可靠性。 7 与化学机械抛光平坦化等工艺兼容。 2 4 2 铜互连阻挡层的分类 对阻挡层如果按其机理进行分类的话，常见的有惰性阻挡层( p a s s i v eb a r r i e r ) ， 损耗阻挡层( s a c r i f i c i a lb a r r i e r ) ，填充阻挡层( s t u f f e db a r r i e r ) 等。惰性阻挡层所 表现出的化学惰性足以保证其与上下层物质之间不发生任何反应，而且它们之间 的互溶度小到足以忽略的地步。当然，这样的阻挡层通常难以获得，而且即使存 在，由于实际薄膜淀积过程中造成的大量的缺陷及其中的晶粒间界将使之不具备 期望的阻挡特性。 损耗阻挡层也就是与上下层物质形成化合物的阻挡层。对于这一阻挡层概念， 我们首先要明确一个观点：任何阻挡层都不能无限期的履行其职责。因此，我们 所关心的应是阻挡层的阻挡特性能维持多久。通常情况下，这类问题没有确切的 答案。但是对于损耗阻挡层，我们能够对其“阻挡寿命”作出可靠的估计。图2 4 清 晰的阐明了损耗阻挡层的概念。阻挡层x 与a 和b 均能发生反应。假定阻挡层x 与a 和b 之间的反应在横向是均一的且能精确加以表征；所生成的化合物、反应 速率及其激活能都为我们所知，那么在给定温度下我们就能估计出多久之后x 消 耗完毕。之后系统的行为无法由上述假定条件估计出，不过最保守的估计是阻挡 层失效。因此在阻挡层未消耗殆尽之前，我们都认为它是有效的，由此便可估计 出阻挡层的“寿命”。 a x b 图2 4 损耗阻挡层阻挡原理及损耗过程 填充阻挡层的思想来源于对阻挡层基本特性的讨论，在低于t a m m a n n 温度时， 晶粒间界及各种缺陷提供了原子的快速扩散途径，如果在这些区域填充以某些杂 质，那么就阻断了原子的快速扩散途径，使之转向体扩散途径，而体扩散所需之 较高激活能来源于较高的温度。因此，通过填充手段，能够提高阻挡层的失效温 第二章铜互连工艺 度并能延长其。阻挡寿命”，改善了阻挡层的特性。 另一方面，如果按制备阻挡层所用材料进行分类的话，我们又可将之分为导 电类阻挡层( c o n d u c t i v eb a r r i e r ) ，及非导电类阻挡层( d i c l e c t r l cb a r r j 盯) 。导电类 阻挡层包括n ，t bw ，m g 等纯金属阻挡层，以及它们为本体的各种氮化物，碳 化物，氧化物，氮硅化物等作为阻挡层材料。多年来，人们对它们进行了详细系 统的研究。非导电类阻挡层包括氧化硅( s ；如) 。氮化硅( s i m ) ，氮氧化硅( s i o x n y ) 等。 2 4 3 铜互连中的超薄扩散阻挡层 随着集成电路的小型化发展趋势，在4 5 r i m 节点的互连电路技术中，为维持一 个低而有效的互连电阻率( 蛳= 2 2 m 枷i ) ，就需要一个超薄扩散阻挡层( 5 n m ) 。 我们假设互连材料电阻率p ，阻挡层材料电阻率p b ，互连线长l ，宽w ，高h ，阻挡 层厚度为t b ，则如图2 5 ，我们可以计算互连体系电阻。 hj 图25 互连线电阻计算示意固 除去扩散驵挡层，互连线自身电甩为m 2 2 9 南 式( 2 - 3 ) 当互连线覆以阻挡层时，互连体系电阻变为r b i 1 - 1 丝型竽丝+ _ 1 2 t b ( h + - w - 一2 t b ) 式( 2 川 肋p 上曲工 、7 由上式2 1 和2 - 2 可见，为了降低互连体系电阻，阻挡层电阻率与厚度都应尽可 能低。 另外，扩散龌挡层厚度必须足够厚，才能使铜线在通孔和沟槽中具有最大的 尺寸，而同时仍然要保持好的扩散阻挡特性。与铝相比，铜要求使用更薄的扩散 阻挡层。因为扩散阻挡层在沟槽中至少需要三面淀积，如图2 6 所示。而且在电镀 铜之前还要淀积一层铜籽晶层。为了减少导电能力相对较低的扩散阻挡层对整个 互连电阻的影响，扩散阻挡层应该越薄越好。 4 v l s i 铜互连可靠性t d d b 特性及其毒命评估模型研究 图2 6 ( a ) a i 互连( b ) c u 互连 然而随着阻挡层厚度减小也带来了诸多的问题。特别是在高深宽比的淘槽或 通孔中，使用传统工艺会造成空洞以及淀积均匀性不良等问题。同时扩散层的厚 度减小使得扩教阻挡层性能大幅下降。 2 5 铜互连集成电路的问题及工艺展望 2 5 1 铜引入集成电路存在的问题 铜引入集成电路会导致出现很多的问题问题之一是铜的污染问题。铜是半 导体的深能级杂质，对半导体中的载流子具有很强的陷阱效应，会作为复合中心 而导致泄漏电流，同时使雕0 2 的介电性能严重退化：另一个问题是锕引线图形的加 工问题，由于一直难以找到可以麦4 蚀铜金属薄膜材料的化学荆和刻蚀手段，而仅 仅利用传统的互违加工工艺，一直难以实现铜的互连引线图形加工。铜互连集成 技术的突破是随着化学机械抛光技术的发明，大马士革工艺的提出和势垒层材料 技术的发展而取得的。人们研发出可以阻挡铜扩散的势垒层材料成功的解决了铜 污染问题；而大马士革结构与c m p 技术结合，成功的解决了铜引线图形的加工问 题。 其次是铜互连线中的失效机理问题，如小尺寸接触和通孔的电迁移特性及热 效应，多层互连中不同层的互连线的电迁移行为；多层膜结构对电迁移的影响t 不同膜淀积工艺对其本身晶体结构和相邻膜晶体结构、特性的影响。 最后是铜互连线表面氧化问题，铜很容易在空气中氧化和硫化。如果铜被氧 化，其电阻会直线上升，造成器件的不稳定所以在实际应用中，铜不应在较高 的温度下( 高于1 0 0 ) 下直接暴露在空气中，一般应在其上加上钝化层。 2 5 1 铜互连工艺发展的展望 国际半导体技术规划对互连、器件、封装等制造环节作出了远景规划 ( 2 0 1 0 - 2 0 1 6 ) 。规划中互连部分指出以微处理器为例，2 0 0 7 年芯片集成已达到1 0 第二章铜互连工艺 层互连，到2 0 1 6 年要达到l i 层。图2 7 为一典型的互连系统剖面图，从图中可以 发现互连线宽由下往上逐步递增，这是为了降低其系统延迟以补偿长度引起的延 迟增加。如图27 所示可将互连系统分为三太层次。第一层即局部互连与接触层 ( c o n t a c tl e v e l ) 仍将钨作为其互连的主要材料。第二层为中间层，其互连材料采 用铜。第三层为全局互连层，射频傩波互连，光互连，3 d 互连等新技术都已纳入 规划。其中3 d ( 三维) 互连将器件一层一层叠加从而大大的缩短互连线长度，而 且这种方法所需克服的技术难题相对于光互连等而言较为简单。因此这种方法最 被看好。 墨 i， l 一。二一 卜广一一 hr 。 1 _ = 工 【一_ j 一 吐划：警丘享= l ，：= = = = 一 i c h $ t u p l i v * * i 出c 耐ql 吖r c c p 舯r c 舯a u # o r - 廿 b j m r 甚1 4 甜神l 山口r 图27 互连系统剖面图 p v d 、c v d 等淀积方法仍将得到广泛的运用，特别是互连籽晶层的常用淀积 手段。电化学淀积( e c d ) 方法，特别是电镀法已成为淀积铜的常用手段，并将 沿用下去。近年来，原子层淀积技术( 0 0 r m cl a y e r d c l 瑚i t i o n ，a l d ) 越来越受到 人们的广泛关注，因为用这种技术制各薄膜其厚度易于控制，且均一性极佳。 铜互连发展目前的工艺水平，接触层和局部互连中的钨的扩散阻挡材料仍将 主要采用t t t i n ，铜互连阻挡层材料仍旧从钛、钽、钨的氮化物、氮硅化物中选 择。毫无疑问，在铜互连未来的发展中。扩散阻挡层仍将是焦点课题。因为锕，阻 挡层接触的平整度及其特性的改善将有助于缓和由于电子散射效应而导致的铜电 阻率的骤增。规划中预言，阻挡层厚度到2 0 1 6 年将降到仅为3 r i m 左右。 2 6 本章小结 由于铜和铝的材科特性的不同，使得传统的铝互连工艺不能直接应用到铜互 连上面，铜互连的加工必须采用全新的工艺。但是光刻和污染的问题使得铜互连 的应用进展十分缓慢，直到双大马士革工艺和化学机械抛光( c m p ) 技术的出现 铜互连工艺才得到了突破性的发展。 rl卜壬 剐 啡 砷 ， ， i k k i 叩 叩 北 k 把 小 e mne i 16 v l s i 铜互连可靠性t d d b 特性及其寿命评估模型研究 本章总结归纳了铜引入集成电路的相关工艺，首先分析了铜的双大马士革工 艺流程，并将其与铝互连工艺进行了对比，在双大马士革工艺引入后，为了防止 铜的污染和难以刻蚀的问题，铜互连关键工艺中需要引入阻挡层、c m p 平坦化、 专门的通孔技术和通孔材料，以及残余杂质的清洁等工艺。其次对淀积工艺进行 了论述，详细分析了各种淀积工艺和镀铜方法的优劣，电镀铜的沟槽及孔洞填充 能力要优于化学镀铜，其淀积参数易于控制，又因为和化学镀铜一样简单而低成 本，所以得到了广泛的应用。随后又分析了化学机械抛光( c m p ) 平坦化工艺， 对于双大马士革结构而言，c m p 技术比铜的淀积更有挑战性。其困难在于新的阻 挡层材料、粘结剂的缺乏和铜本身的缺陷。目前，c m p 的图形化效应( d i s h i n g e f f e c t ) 是铜互连线中