（材料物理与化学专业论文）铜布线阻挡层与csp封装中的失效分析.pdf

摘要 y4 6 7 2 6 7 f 集成电路器件的尺寸已进入深亚微米阶段。市场要求集成电路具有更快的速 度、更好的可靠性、更低的功耗、更小的噪声和更低的成本，为此，人们开发了大 量的新材料、新工艺和新技术，其中的铜布线工艺和c s p 封装技术己成为半导体 界关注的热点。在刚开始应用这些新技术时往往会出现较多的失效和可靠性问题， 失效分析就是针对这些问题进行研究，以找到器件失效的根本原因，使新技术得以 顺利推广和应用。本文针对这两项技术的失效问题进行了深入研究。火 第一部分是针对铜布线工艺中钽阻挡层失效问题的研究。研究发现钽薄膜制各 过程中，硅衬底表面清洁度对钽膜阻挡效果有很大影响，适当的硅衬底表面清洁处 理控制着钽膜的质量，是得到良好阻挡效果的必要条件；其次是对以不同淀积速率 制备的钽薄膜的阻挡性能进行比较，结合钽薄膜的微观结构差异，提出钽薄膜失效 的机理。研究发现由于比表面较小以及内部缺陷较少，较低淀积速率形成的钽薄膜 具有较好的阻挡效果，此外当样品退火温度较高时，钽薄膜会出现重结晶现象，薄 膜中将会出现空隙( v o i d s ) ，铜和硅原子很容易通过这些通道互扩散。斗 第二部分是针对c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ) 封装( v f b g a ) 内部芯片断裂问题的研 究。首先利用有限元分析软件a n s y s 建立了一个三维模型，通过模型评估验证了 模型的可靠性，并得到实验方法无法测量的芯片所能承受的最大应力大小；随后对 改变器件内部芯片的厚度进行模拟，发现相同器件中芯片厚度对器件承受外力的能 力影响不大；最后对实际的测试过程进行模拟计算，预测并找到了导致芯片断裂的 根本原因，使某公司的v f b g a 器件测试失效率从1 8 0 0 d p m 左右下降到1 0 0 d p m 以内，完全达到了客户要求。 关键词：失效分析，铜布线，扩散阻挡层，a n s y s ；v m g 芯片断裂 a b s t r a c t t h ef e a t u r ed i m e n s i o no fi cd e v i c ei sd e c r e a s i n gt od e e ps u b m i c r o n t h em a r k e t n e e d st h ei cc h i pw i t hf a s t e rs p e e d ，b e t t e rr e l i a b i l i t y , l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，s l i g h t e r n o i s ea n da f f o r d a b l ec o s t t os a t i s f ys u c ha ne v e r i n c r e a s i n gn e e d ，p e o p l ea r ed e v e l o p i n g n e wm a t e r i a l s ，p r o c e s sa n dt e c h n o l o g i e s ，i nw h i c hc o p p e rm e t a l l i z a t i o na n dc s p p a c k a g i n ga r et w ot e c h n o l o g i e sb e e nf o c u s e db yi ci n d u s t r y i t sw e l lk n o w nt h e r ew i l l b eal o to ff a i l u r ea n dr e l i a b i l i t yi s s u e sw h e nan e wt e c h n o l o g yi ss t a r t i n gu p f a i l u r e a n a l y s i si st h er i g h tw a yt o e n s u r et h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o no fn e wt e c h n o l o g yb y f i n d i n gt h er o o tc a u s e t h i st h e s i si sf o c u s i n go nt h ef a i l u r eo fc o p p e rm e t a l l i z a t i o na n d c s p p a c k a g i n g p a r tt w oi st h ef a i l u r ea n a l y s i so ft af i l ma sd i f f u s i o nb a r r i e ri nt h ec o p p e r m e t a l l i z a t i o n f i r s t l y , w ei n v e s t i g a t e dt h eb a r r i e rc a p a b i l i t yo ft af i l mt h a tw a sp r e p a r e d w i t hd i f f e r e n ts is u b s t r a t ec l e a n i n gp r o c e s sa n df o u n dt h a tc l e a nt h es is u b s t r a t ep r o p e r l y w a se s s e n t i a lt oag o o dd i f f u s i o nb a r r i e r s e c o n d l y , w ec o m p a r e dt h eb a r r i e rp r o p e r t yo f t af i l md e p o s i t e dw i t hd i f f e r e n tr a t ea n db r o u g h to u tt h ef a i l u r em e c h a n i s mo fd i f f u s i o n b a r r i e r i tw a sf o u n dt h a tt h et af i l mw i ml o w e rd e p o s i tr a t eh a sb e t t e rb a r r i e rq u a l i t y o w n i n gt ot h es m a l l e ra r e ao fc r y s t a li n t e r f a c ea n df e w e rf i l md e f e c t s t h i ss t u d ya l s o s h o w st h er e c r y s t a l l i z eo ft af i l md u r i n ga n n e a l i n gw a so n em a i nf a c t o rc a u s i n gt h e f a i l u r eo fd i f m s i o nb a r r i e r p a r tt w oi st h ef a i l u r ea n a l y s i so fi n n e rd i ec r a c ki s s u eo fc s pp a c k a g e ( v f b o a ) f i r s t ，as u i t a b l e3 dm o d e la n dt h em i n i m u ms t r e s sc a u s i n gd i ec r a c ka r ea c h i e v e db y m o d e l i n ga n de s t i m a t i n g t h e n ，w es i m u l a t e dt h ei m p a c to fd i et h i c k n e s sc h a n g et ot h e s t r e s sd i s t r i b u t i o no nu n i ta n df o u n dt h a ts a m ek i n do fu n i tw i md i 任j r e n tt h i c k n e s sd i e h a ss i m i l a rp e r f o r m a n c eu n d e re q u a le x t e r n a ll o a d s f i n a l l y , t h er o o tc a u s eo fi n n e rd i e c r a c ki sp r e d i c t e da n df o u n da f t e rt h es i m u l a t i o no ft h er e a lt e s tp r o c e s s i tw a st h eg r e a t s t r e s si n d u c e db yt h ea b n o r m a lc o n t a c tb e t w e e nt h et e s t i n ge q u i p m e n ta n dv f b g au n i t t h a tc a u s e dt h ei n n e rd i ec r a c k a f t e ri m p r o v et h et e s tp r o c e s so fi n t e lt e c h n o l o g y ( c h i n a ) l m d ，t h ef a i l u r er a t eo f v f b g au n i t sh a sf a l l e nf r o m18 0 0 d p mt ob e l o w1 0 0 d p m k e yw o r d s ：f a i l u r ea n a l y s i s ，c o p p e rm e t a l l i z a t i o n ，d i f f u s i o nb a r r i e r , a n s y s ，v f b g a ，d i ec r a c k 第一部分铜布线工艺中阻挡层钽膜的研究 1 1 前言 随着全球半导体工业的发展，集成电路器件的尺寸已进入深亚微米甚至纳米 阶段。伴随着集成电路器件特征尺寸的进一步缩小，金属互连线的r c 延迟和金 属电迁移引起的器件可靠性问题已经成为影响电路性能的主要矛盾，传统的铝布 线和s i 0 2 介质工艺己没法满足高性能电路的要求，各元件之间的互连技术已成 为集成电路工艺中的关键技术之一。因此，寻找低电阻率的导电材料已成为深亚 微米集成电路工艺的一大研究方向。 作为布线金属的铜材料具有比铝优越的性能，目前被普遍认为是代替铝及其 合金成为硅器件金属化布线的最佳材料。但是，铜原子很容易在硅和二氧化硅中 扩散，铜原子在硅中充当深能级施主杂质将大大降低器件的性能。特别是当其进 入到掺硼的硅中时，会与硼发生反应形成b c u 化合物，从而使硼的有效掺杂浓 度降低。因此要成功实现硅芯片上的铜金属化布线，制备出具有良好阻挡效果的 铜硅互扩散阻挡层是关键i l 。j 。 为了找到合适的阻挡材料及制备工艺，目前国际上有大量工作从不同方面对 难熔金属及其二元、三元化合物进行着研究，如研究样品制备方法、厚度以及退 火所处的气氛等对阻挡效果的影响【4 “。这些材料中，钽及其化合物由于其具备 的优越性能受到了越来越多的关注，并且成为了铜硅之间阻挡层的极佳选择。 本论文主要研究了直流磁控溅射方法制备钽薄膜对铜硅互扩散的阻挡效果， 并分析了引起不同阻挡效果的原因以及阻挡层失效的机理。 本文首先简要介绍半导体技术的主要工艺流程，然后论述了互连技术的发展 以及铜互连技术，并详细描述了实验过程、试验结果和讨论。 3 1 1 1 半导体集成电路制造工艺 半导体集成电路工艺是以硅平面技术为基础的一整套制造技术，一般把整个 工艺流程分为两个部分，即前道和后道，见图1 1 。前道指的是在晶圆厂里进行 的晶圆加工工艺，晶圆加工包括1 6 到2 4 步小的循环工艺，每一步循环中都由光 刻、刻蚀、剥离、扩散、离子注入、淀积和化学机械抛光等步骤中的一些或全部 组成，同时在晶圆加工的每一步都会进行相应的观察和检测，用于监控工艺流程 和设备运行情况。后道是测试、组装和封装，主要是将制各完成的晶圆划分成单 个的芯片，并将它们封装起来成为具备实际应用功能的器件，测试是在封装完成 后进行的对所有电学性能的检测，用于保证器件的质量。支持整条工艺线的是一 个复杂的基本设施( i n f r a s t r u c t u r e ) 网络，包括材料供应、废物处理、后勤和自动 化控制等。 图1 1 半导体制备流程图 下面对一些主要的工艺进行简要的介绍。 外延工艺( e p i t a x y ) 是在一块具有一定晶向的单晶片上继续生长一层相同晶向 的单晶层，厚度约为硅片的3 ，集成电路的每一个元件就是做在这层单晶层上， 一般是用化学气相淀积( c v d ) 的方法生长： 氧化工艺( o x i d a t i o n ) 是把经过严格清洗的硅片表面处于高温的氧化气氛( 于 氧、湿氧、水蒸气) 中，硅表面与氧原子形成s i 0 2 层。氧化层对集成电路制造 起着极其重要的作用：在扩散或离子注入对硅表面进行定域掺杂的掩蔽层；保护 器件表面不受周围气氛影响的钝化层；集成电路多层金属化系统中以及元件与元 件之间电学隔离的绝缘层。 扩散( d i f f u s i o n ) 和离子束掺杂( i o ni m p l a n t ) t _ 艺。扩散包括硼扩散和磷扩散， 其机理是在高温下将硼和磷杂质原子掺入硅片表面层，形成n + 一p n 或p + 一n p 的 三层结构，当加以一定的电极引线后，便形成三极管的特性。离子束掺杂工艺是 4 指用强电场加速离子化后带电的杂质离子，使其轰击并进入硅片表面形成定得 杂质分布。它可以满足集成电路中器件的结深和基区越来越小，同时要求杂质分 布有较高均匀性的工艺要求。 光刻工艺( p h o t o l i t h o g r a p h y ) 类似于照相印刷技术。分涂感光胶、前烘、对准 曝光、显影、定影、坚膜、蚀刻、去胶等工序，图1 2 是光刻过程示意图。它主 要解决严格控制扩散p n 结的尺寸和图形。 图1 2 光刻工艺示意图 化学机械抛光工艺( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 是一种研磨工艺，使用化 学试剂和旋转打磨的方法对晶圆表面进行抛光，可以同时用于抛光氧化层和金 属。良好的表面平整度是随后的光刻工艺及淀积完整介质层和金属层的基础。 金属化布线工艺( m e t a l l i z a t i o n ) 用于将在一块单晶硅片上制成的晶体管、二极 管和电阻等元件按一定的要求进行电连接，以构成某一功能的电路。传统工艺中 一般使用蒸发工艺，采用真空镀膜的方法，在做好电路元件的硅片表面蒸上一层 铝层，然后通过反刻工艺( 光刻的一种) 把不需要的铝层蚀掉，从而实现电路中 各元件的互连问题。 一般来说经过以上工艺的循环制备，就可以在硅圆片上得到符合要求的电 路。图1 3 是一个双极型三极管和电阻的截面图及对应的电路图。 图1 3 三极管和电阻集成截面图 1 1 2 金属化布线技术 金属化布线技术指的是在单晶硅片上完成了集成电路中的晶体管、二极管和 电阻等元件制造之后，随后按电路的要求将这些元件用金属线连接起来构成某一 功能的工艺技术。金属线一般可用作器件间的信号传输线、时钟引线、地线及功 率分布线。图1 4 是一个典型的布线后的m o s 电路的截面图，m o s 管上方是两 层的金属布线，不同层的金属线通过通孑l ( v i a ) 连接，金属线之间由介质物r i n t e r m e t a ld i e l e c t r i c ) 隔离。金属化布线是芯片制造工艺中非常重要的组成部分，是 实现电路功能的必要条件。 图1 4 布线后m o s 电路的截面图 布线技术伴随着集成电路技术的发展经历了从简单到复杂的演变，最初的简 单电路一般使用单层布线技术，但单层布线不能解决交叉连线的问题，随着电路 复杂度越来越高，单层布线已经无法满足互连的要求，于是发展出了多层布线技 术，布线的层数从2 层、3 层一直到目前v l s i 中使用的6 - 9 层布线，布线的材 料也从金属铝向金属铜过渡。图1 5 是六层金属布线的示意图，左图中金属间的 介质层已经被刻蚀掉了，右图是相应布线的截面图。 图1 5 六层金属布线示意图 6 金属布线的工艺目前主要有两种：减法刻蚀工艺( s u b t r a c t i v e e t c h ) 和镶嵌工艺 ( d a m a s c e n e ) b 】。减法刻蚀工艺与前面提到的光刻工艺相似，流程如下：首先用 溅射方法淀积金属，用光刻胶实现图形化，将不需要的金属刻蚀掉，最后将光刻 胶剥离掉。镶嵌工艺主要有单镶嵌( s i n g l ed a m a s c e n e ) q - 艺和双镶嵌( d u a l d a m a s c e n e ) t 艺。 ( d )【e ) 图1 6 单镶嵌工艺示意图 单镶嵌工艺如图1 6 所示：( a ) 在二氧化硅介质中作接线柱( p l u g ) 亥l j 蚀，淀积金 属接线柱，作为两层金属上下连通的桥梁，然后进行化学机械抛光；( b ) 用p e c v d 淀积一层二氧化硅作为内层介质( i n t e r - l a y e rd i e l e c t r i c ) ，简称i l d ) ( c ) 在i l d 层 上做互连沟槽( t r e n c h ) 的刻蚀，实现该层金属布线的图案；( d ) 二次淀积金属，填 充布线沟槽；( e ) 多余的金属用( c m p ) 方法去除；最后覆盖钝化层。 与传统的平坦化工艺相比，基本的镶嵌工艺有以下优点：( 1 ) 由于化学机械抛 光工艺的应用，使得金属和介质共存的表面非常平坦；( 2 ) 优化的金属淀积工艺 可以实现深亚微米接线柱的高质量填充：( 3 ) 整个工艺过程中不需要金属的反刻。 但镶嵌工艺也有缺点，要实现互连沟槽良好的隔离性能，有赖于优质的表面平坦 技术，而金属和介质的表面平坦化需要增加昂贵的c m p 工艺。 1 一一尸1 阡 - 厂盯 豳s i o ：_ _ s i o ：一- _ ，l |， 一 7 化处理，然后刻蚀互连沟槽；( b ) 去除光刻胶，重新光刻接线柱，运用反应离子 刻蚀( r i e ) 技术刻蚀i l d ：( c ) 淀积金属，同时填充沟槽和接线柱的孔，并用c m p 技术去除多余的金属。与单镶嵌工艺相比简化了工艺步骤，降低了成本，但对单 项工艺提出了更高的要求。 伴随着集成电路中器件特征尺寸的进一步缩小，互连线的r c 延迟和电迁移 问题已经成为影响电路速度和可靠性的主要矛盾。减小r c 延迟的方法可以通过 减小互连金属线的电阻值和介质材料的介电常数实现；提高抗电迁移能力可以在 金属线中加入一定的杂质和使用其它材料( 如铜代替铝) 来实现。作为互连的金 属线必须具备以下的性质： 1 电学方面要有较低的电阻率并且与相邻金属层的接触电阻小； 2 物理性能方面需要和其他材料的界面有很好的粘结性，良好的台阶覆盖 性能，性质稳定且可靠性好( 抗腐蚀和电迁移能力) ； 3 工艺相容性方面，需要能较容易的实现各向异性刻蚀并且能经历随后的 工艺流程。 传统的金属化布线技术是以金属铝作为材料的铝布线技术，使用的是电子束 蒸发和s i 0 2 介质工艺。在这种传统工艺中，铝的电阻率( p ) 为3 1 ，s i 0 2 介质的 介电常数( k ) 为3 9 ，较高的介电常数将带来高寄生电容、寄生电阻和时间常数( t ) 延迟的问题。对于0 1 8 微米x 4 0 微米的铝条和s i 0 2 介质组成的互连，延迟已经 超过0 1 8 微米m o s 栅延迟时间的一倍，同时还带来噪声和可靠性等问题。为了 满足新型器件的性能要求，人们将目光投向了以新型材料为核心的集成结构上， 以铜布线工艺替代传统的铝布线工艺成了研究的焦点。 1 1 3 铜金属化布线技术 许多大型集成电路制造厂都先后开展了对铜互连技术的研究。早在1 9 9 4 年， 欧洲西门子公司就赞助了一个名为c o i n ( c o p p e r i n t e r c o n n e c t i o n s ) 的研究项目， 重点研究铜互连技术。1 9 9 7 年末在华盛顿召开的国际电子器件会议上，i b m 等 公司提出了用铜布线代替铝布线及相应的镶嵌工艺，受到了广泛的关注。其后越 来越多的公司和研究机构投入了对铜金属化布线的研究【l ”。 铜被普遍认为是一种代替铝的理想候选材料是由于铜与传统的铝及其合金 相比主要有以下的一些优点：较低的电阻率( c u ：1 6 8 ；a i ：2 6 乱4 0 ) ，约为铝的 一半；更好的抗电迁移能力，比铝提高约两个量级；更高的熔点( 1 3 5 8 。c ) ，有 利于随后的高温加工工艺；更高的热传导系数( c u ：3 9 8 w m ；a i ：2 3 8 w m 。) ， 有利于器件的散热1 1 , 2 1 。根据i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o r s e m i c o n d u c t o r s l 的预测，当器件尺寸进入0 1 3 微米时铜将完全代替铝。 由于铜金属在刻蚀过程中不能产生易挥发的物质，一般的等离子蚀刻技术难 r 以刻蚀铜来形成互连图形。为将铜布线应用于i c 制造，人们正在设计与铝布线 完全不同的工艺技术来解决，目前普遍认为镶嵌( d a m a s c e n e l 技术和化学机械 抛光( c m p ，c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h ) 技术可以实现铜布线的功能 t 6 l 。 铜除了上述较难刻蚀形成图形外还有另外一些缺点：易氧化，容易和周围的 环境发生反应；与介质层的粘结性差。同时，铜是种快扩散杂质，铜原子容易 扩散进入氧化层或介质材料，形成金属互连布线的低击穿；铜易扩散进入硅与二 氧化硅，并且在较低温度下就会形成铜硅化合物，铜扩散进入硅会成为深能级杂 质，导致对有源区的沾污并引起结漏电和v t 漂移；硅扩散进入铜将增加铜的电 阻率。因此，在铜互连技术中必须采取有效措施来防止铜硅互扩散，即在介质层 和金属铜之间引入一层扩散阻挡层。 1 1 4 铜扩散阻挡层 扩散阻挡层是指在铜连线和介质层或有源区之间引入的用于阻止铜扩散的 一层薄膜，主要分为金属阻挡层和介质阻挡层两种，目前的研究方向主要集中在 对金属阻挡层的研究。在实际的铜阻挡层结构中，阻挡层的厚度应控制在1 0 0 i m a 以下。有数据表明，对于亚微米超大规模制成电路而言，其阻挡层必须在j o o 度 的条件下，3 0 分钟内不会发生铜扩散穿过阻挡层的现象。一般来说，合适的阻 挡层必须具备一下条件： 1 能有效阻挡铜、硅及介质材料的互扩散； 2 具有很低的薄层电阻，与铜及硅的接触电阻小： 3 具有很好的热稳定性，能经受器件制造过程中高温的影响； 4 必须与化学机械抛光工艺兼容； 5 与铜和其他介质材料都有良好的界面接触，并且不与铜及介质材料起反 应。 在阻挡层的选择过程中，大量的研究工作集中在阻挡层的材料及其工艺的选 择上。在阻挡层材料方面，过渡金属元素及其氮化物引起了人们的广泛关注，如 t i 、t i n 、w n 。、t a 、t a n 。、t a c 。、t a s i n 、w s i n 掣7 川1 。选择这些物质作为阻 挡层的主要原因是过渡金属及其氮化物都有很强的导电性、较高的熔点和对铜原 子的阻挡特性。其中t i n 在铝金属化布线工艺中得到了应用。扩散阻挡层的主要 制备工艺有p v d ( 物理气相沉积) 和c v d ( 化学气相沉积) 两种，以p v d 制作 为主，因为p v d 方式所沉积的产品品质较佳，薄膜较好；而且c v d 需使用到化 学成份，其操作成本较p v d 要高。此外，还研究了阻挡层的厚度，不同退火气 氛对阻挡层失效的影响，大家都希望能够找到阻挡层失效的机理，即铜是如何穿 透阻挡层的，从而在根本上解决这一问题。 在阻挡层材料的研究过程中，人们逐渐发现钽及其化合物有较高的电导率： 性质不活泼，在高温下不与铜及硅反应生成合金：很高的熔点( t a 2 9 9 6 * c ，t a n 3 2 6 0 0 ，t a c 3 9 8 5 。c ) ：与介质材料有良好的粘结性。因此钽及其化合物受n t 越来越 多的关注，目前已经成为了铜硅之间阻挡层的极佳选择。 1 1 5 论文内容安排 由于在深亚微米器件中铜将广泛的代替铝成为集成电路芯片上金属化布线 的材料，因此需要对铜布线工艺大规模生产中可能碰到的问题进行研究，铜扩散 阻挡层材料及工艺的选择就是其中的研究重点之一。本文主要是对用直流磁控溅 射方法制备的钽薄膜阻挡效果的研究，利用多种分析手段研究了引起不同阻挡效 果的原因，并提出了阻挡层失效的机理。 文章由三部分组成：简介，实验过程和结果与讨论。简介部分主要介绍了目 前金属化布线的发展趋势，半导体工艺，金属化布线工艺和扩散阻挡层：实验过 程首先介绍了直流磁控溅射法制备样品的原理和仪器，然后测定了作为控制薄膜 质量的淀积速率，详细描述了样品制备以及退火处理的过程，最后简要介绍了试 验中用到的各种分析测试仪器：结果与讨论有两部分内容，一是衬底表面清洁度 对薄膜质量的影响，研究发现适当的硅衬底表面清洁处理决定了衬底的清洁度， 控制着钽膜的质量，是得到良好阻挡效果的必要条件，二是薄膜淀积速率对钽膜 失效的影响，研究发现不同淀积速率制备的钽膜由于其结构的差异对铜硅互扩 散有着不同的阻挡效果，样品在退火时薄膜晶粒的重结晶过程和通过晶粒问界的 互扩散是导致阻挡层失效的主要因素。 l o 1 2 实验过程 本文通过溅射法准备多层薄膜，研究金属钽薄 膜的阻挡效果及失效机理。选取的阻挡层材料为金 属钽，制备的工艺为直流磁控溅射。实验的思路是 在硅衬底上先溅射一层6 0 h m 的钽膜，然后再溅射 c u ( 2 0 0 r i 】i i ) t a ( 6 0 v _ m ) s ts u b s t r a t e 图1 8 样品结构图 一层2 0 0 n m 的铜薄膜，钽膜作为铜与硅互扩散的阻挡层，见图1 8 ；样品制备完 成后经过退火处理，然后使用多种分析测试手段对钽膜的阻挡效果进行分析，不 同样品阻挡层的质量由薄膜的淀积速率及硅衬底表面处理来控制；最后从不同质 量薄膜和不同阻挡效果的关系可以得到阻挡层失效的原因。试验过程主要包括三 个方面：溅射法制备样品、样品退火处理和样品的分析测试。 1 2 1 溅射法及实验仪器 在电子器件的发展历史中，溅射是继蒸发工艺以后用于生长金属薄膜的最主 要工艺。溅射的基本原理即利用辉光放电产生的离子轰击金属靶，从而使金属原 子逸出靶材，均匀附着在目标样品上形成金属膜。它发明于1 8 5 2 年，并于1 9 2 0 年被l a n g m u i r 正式用来作为薄膜的淀积技术。它具有比蒸发更好的台阶覆盖性 能，比电子束蒸发低的辐射损伤，尤其在淀积复合材料和合金方面具有很大优势， 在半导体器件和集成电路的金属淀积工艺中已经占据首要的地位。 溅射法属于物理气相淀积( p v d ) 。把加速了的离子轰击固体表面，粒子和 固体表面的原子交换了动量后就会从固体表面溅出原子，这一现象称为溅射 f s p u t t e r i n g ) 。溅射是由动量转移引起的，所以溅射时溅出的原子是有方向性的。 在实际进行溅射时，主要由被加速的正离子轰击作为蒸发源的阴极( 靶子) ，再 从阴极溅出原子，所以也称此过程为阴极溅射( c a t h o d es p u t t e f i n g ) 。 一个溅射系统包含一个真空腔和平板等离子反应器。靶材料放在等离子反应 器的一个电极上，真空腔内通入惰性气体，一般是氩气，气压保持在o 1 t o r r 以 下以获得数量级为几个微米的平均自由程。当等离子反应器的两个电极加上直流 或交流( 射频电压) ，就会产生氩等离子体，高密度的氩离子在电场的作用下撞 击靶材料，使靶材料的金属原子逸出，均匀地溅射到样品上。淀积金属材料时， 平板等离子反应器的电极上通常加上直流电源，淀积绝缘介质材料时，通常加上 射频交流电源。用射频交流电源也可溅射金属，但速度较慢。 在含有低压气体的空隙中加一个高电压，会产生等离子体，其阈值电压可用 下面的公式计算： v = c f p l ) j o o g p x 上+ 口) 其中p 为腔体的压力，l 是电极的间距，c ，b 为某个常数。一旦形成等离 子体，其中的离子将向阴极加速，撞到阴极后打出二次电子，二次电子又加速离 开阴极。二次电子从阴极到阳极的过程中，与气体的中性分子碰撞，如果能量交 换小于该分子的电离能，气体分子会激发到激发态，它从激发态退回原始态时， 多余的能量发出特有的辉光。如果二次电子与气体分子转换的能量足够高，会将 气体分子离子化，离子将向阴极加速，离子流对阴极的撞击引发溅射过程。 不同气体的电离能量是不同的，见表1 1 。 气体一次电离能( e v )二次电离能( e v ) 氦气 2 4 5 5 4 4 氮气 1 4 52 9 6 氧气 1 3 63 5 1 氩气 1 5 82 7 6 表1 1 气体的电离能量 带有一定能量的离子撞击材料表面会有以下几种情况： 1 低能量的离子会从材料表面弹走。 2 稍高能量( 小于l o k e v ) 的离子会被材料表面吸附。 3 高于l o k e v 时，离子穿入材料内部，改变材料内部的物理结构，这种情 况叫做离子注入。 4 离子能量介于2 ，3 之间，大部分的能量交换发生在材料表面的几个原予 层的范围，材料表面的原子或原子团将从表面弹出，一般所带的能量在 1 0 5 0 e v 的范围，离开阴极，这个能量约为蒸发原子所携带能量的1 0 0 倍， 使溅射的牢度远远超过蒸发，溅射原子能量高也使其到达衬底时具有更高 的表面活性，有利于阶梯覆盖的改善。 在等离子体上加一个磁场，可以使电子绕磁力线方向旋转，运动半径为 ，= m v q 忉 电子的轨道运动增加了与中性分子碰撞的几率，提高了离子的密度，增加离子与 靶碰撞的机会。普通溅射系统的离子密度为1 0 ，在磁控的溅射系统中离子密度 约为1 矿。磁场的采用还可以在较低的压力下形成等离子体。 本文在样品准备中使用的是美国d e n t o nv a c c u mi n c 的d i s c o v e r y 1 8 s p u t t e r i n g 磁控溅射系统。图1 9 为溅射台的腔体及三阴极的外形。 1 2 图1 9 溅射台照片和共焦阴极示意图 该系统有以下几个特点： 1 真空度高，1 0 - 7 t o r r ，采用无油真空系统，后级用t u r b 泵。 2 三个阴极，可以分别装上三个不同材料的3 寸靶，因此可以连续溅射多 层薄膜，也可进行多靶共溅。 3 衬底盘达中1 5 c m ，衬底盘可加温到5 0 0 。 4 磁控溅射系统是设计成独特的共焦形式，因此溅射的均匀性非常好，在 o1 0 0 r a m 范围内误差 5 。，共焦溅射共焦阴极结构示意见图1 9 5 二个d c 电源( 功率为1 0 0 0 w ) ，一个r f 电源( 功率为6 0 0 w ) ，分别可 以加在不同的靶极，d c 电源适合溅射金属膜，r f 电源可以溅射非金属 薄膜，也可以溅射金属薄膜。 6 有一个b i a sr f 电源，适合进行对样品的反溅射。 7 屏幕菜单操作，自动控制。 8 有三路气体可通入系统，通以适当气体可以进行反应溅射。 9 靶子是活动式的，螺纹固定，装卸方便，而不是用导电胶粘结式，因此 只要准备了不同材料的靶，就很容易淀积不同材料的薄膜。 1 3 1 2 2 薄膜淀积速率测定 在应用溅射法制备薄膜时，薄膜的形成过程可以分为四个阶段：临界核的形 成，粒子的长大，形成迷津结构和连续薄膜。首先外来原子在基底表面相遇结合 在一起，称这种集团为原子团。只有具有一定数量原子的原子团才能不断吸收新 加入原子而稳定长大，这个具有临界数量原子的原子团称为临界核。继续蒸积加 入原子，临界核成长成大的粒子。通常将2 - 2 0 0 个原子组成的粒子称为原子团； 粒子直径在1 0 1 0 0 0 a 的称为超微粒子；体积再大的称为颗粒。按传统说法，把 薄膜形成过程中的粒子称为“岛”。随着蒸积继续进行，外来原予增加，岛不断 长大，进一步发生岛的接合，很多岛接合起来形成网络结构，也称迷滓结构。再 继续蒸积，原子将填补迷津通道的空洞，成为连续薄膜。如果还继续蒸积，原子 在连续膜的基础上重复上述过程，使薄膜不断的增加厚度 1 2 , 1 3 】。 在这一过程中，影响薄膜生长的参量有淀积速率、原子动能、粘附系数、表 面迁动率、成核密度、凝结速率、接合速率、杂质和缺陷浓度及荷电强度等。本 文中制备不同样品的钽薄膜时，除了溅射功率不同之外别的试验条件都是相同 的，因此可以通过控制溅射薄膜的功率来控制淀积速率、原子动能等参量，从而 影响钽薄膜的质量。 为了制备出符合要求的钽薄膜，首先要能够对薄膜的淀积速率进行测量，本 试验中使用的测试仪器是a l p h a s t e p2 0 0 。它是利用一个直径为1 5 - 2 5 微米 的高精度探针接触扫描被测样品的表面，表面起伏引起探针位置上下移动，其移 动量通过一个位移一电容( 或电感) 传感器转换成电信号，经计算机处理后即可 获得样品的表面轮廓图。其图形由屏幕显示，并可同时获得图形宽度、高度、平 均高度、总和高度、表面粗糙度、剖面面积和斜度等数据。该仪器的分辨率：垂 直方向5 a ；水平方向4 0 0 a ，因此可以符合本试验的要求。 测量过程如图1 1 0 所示，首先在溅射薄膜时用阻挡材料将衬底的一部分挡 住，溅射完成后将阻挡材料拿走，这样衬底上就只留下待测薄膜，薄膜与衬底之 间就形成了一个台阶，随后可以利用a l p h a s t e p 测量淀积薄膜的厚度，结合制 备薄膜时的溅射时间就可以得到薄膜的淀积速率。 图1 1 0 薄膜淀积速率测试示意图 在实际的测量过程中，由于需要测量薄膜的厚度非常薄( 小于1 0 0 r i m ) ，对 制作的台阶坡度要求非常高，因此阻挡材料必须比较薄，并且要有良好的截面。 刚开始试验时由于使用的阻挡材料并不符合要求，a l p h a s t e p 测量的结果如图 1 1 1 ( a ) 所示，基本上没法得到薄膜厚度的大小。经过对试验器材的改进最终得到 了较好的台阶，测量的结果如图1 1 l ( b ) 。 硼 。 4 。、i 一m 、二k i 秘卜 一 o ，o p 十一“n r、7 ? 一r r 一 一“ ul w+ w _ i 1 r 一一 ( b ) 图1 1 1a l p h a - s t e p 测量结果图 试验装置建立以后，对钽薄膜及铜薄膜的淀积速率进行了测量。对钽薄膜 一共测量了5 种溅射功率对应的淀积速率，如图1 1 2 所示。从图中可以看到： 淀积速率与溅射功率并不呈线性关系，开始时增长较慢，随着溅射功率的增加快 速增加；此外当溅射功率为5 0 w 时，淀积速率为0 n m m i n ，这说明在溅射过程 中存在域值功率，当溅射功率低于此值时将无法从靶材上溅射出粒子来。用相同 的测量方法得到铜薄膜的淀积速率为6 5 n m m i n ( 溅射功率5 0 0 v 0 。 肌 6 3 口 一囊嚣嚣黼豢 图1 1 2 淀积速率与溅射功率关系图 1 2 3 溅射法制各样品 在溅射之前，要对作为衬底的硅片进行清洗。本实验使用的硅衬底材料是n 型、2 英寸、 晶向硅片，硅片的电阻率为6 8 7 7 f 2 册。 硅片的清洗工艺如下： 1 按n h 4 0 h ：h 2 0 2 ：h 2 0 = 1 ：2 ：5 的体积比配制i 号液，到入石英烧杯中浸没硅 片，加热i 号液至沸腾，再加热四分钟，倒掉残液用去离子水冲洗三遍； 2 按h c i ：h 2 0 2 ：h 2 0 = 1 ：2 ：8 的体积比配制i i 号液，到入石英烧杯中浸没硅 片，加热至沸腾，冷却后倒掉残液，用去离子水冲洗十五遍。 3 用红外线快速干燥器烘干硅片。 4 硅片保存在干燥器皿中， 硅片在经过清洗烘干后放入d e n t o nd i s c o v e r y1 8 溅射仪腔体中，随后对腔体 抽真空，当真空度达到2 7 1 0 4 p a 时引入氩气，气流量是2 7 7 s c c m 。溅射前先 在衬底上加反向偏压，利用氩离子轰击硅片处理硅片表面一分钟，功率为1 0 0 瓦， 接着在氩气氛中用钽靶( 9 9 9 9 纯度) 溅射厚度为6 0 n m 的钽膜，在不破坏真空 的条件下，在同一腔体中用铜靶溅射厚度为2 0 0 n m 的铜膜。溅射时腔体的压强 为0 8 0 9 p a ，衬底不加热，温度在3 0 左右。在样品退火前，再溅射一层1 0 n m 厚的钽薄膜用于保护铜薄膜，避免金属铜在空气中氧化。 1 2 4 样品退火处理 由于半导体器件在前道制造及后道封装中都会碰到一些较高温度的工艺过 程，作为铜布线的扩散阻挡层必须经历这些工艺并保持良好的阻挡效果；同时， 1 6 由于铜和硅的互扩散作用在温度较高时会明显增强，因此高温经常是阻挡层失效 的直接原因。为了研究阻挡层在较高温度下的失效机理，必须对制备好的能有效 隔离铜硅的样品进行退火处理。 本文的退火处理设备如图1 1 3 所示，样品放在石英舟中推入石英管，在石英 管中充满氮气，然后通过精密温度控制仪控制加热线圈开始升温，石英舟上方的 热电偶外接到数字电压表，通过电压读数可以知道石英舟附近的温度，调节温度 控制仪使管内温度符合试验的要求，升温和降温的过程中始终保持稳定的氮气流 量。 图1 1 3 退火处理设备图 退火处理前将制备好的s i t a l c u 结构样品表面再溅射一层l o n m 的钽层作为 保护层，然后将样品切割成l c m 2 的小片，在氮气气氛下退火处理，温度分别为 4 0 0 ，5 0 0 ，6 0 0 ，7 0 0 。c ，在各个温度保持的时间均为半小时。具体的退火温度曲 线如图1 1 4 所示。从曲线可以看到各退火温度升温的时间都约为1 小时，升温 过程开始阶段较快，然后变慢，这是由设备决定。 图1 1 4 退火温度曲线 1 1 1 2 s 样品分析测试 以确定的条件制备得到样品以及样品经过退火处理后，都需要对样品进行分 析以了解阻挡层的阻挡效果，同时还需要分析引起不同阻挡效果的原因，这些都 必须要有相应的分析测试手段来支持。本文中使用了以下一些分析测试仪器：二 次离子质谱仪( s i m s ) ，扫描电子显微镜( s e m ) ，原子力显微镜( a f m ) ，透射电子 显微镜f t e m ) 【1 7 , 1 8 1 。 二次离子质谱仪岱i m s ) 二次离子质谱( s i m s ) 是一种以次离子作为探针的表面分析技术。它的基本 原理是入射的初级离子跟固体表面进行能量和动量交换之后，从表面发射出中性 粒子、正负二次粒子、电子、光子和弹性散射的入射离子。s i m s 就是用质谱仪 对发射出来的二次离子进行质量分析来鉴定表面元素。由于发射出来的离子是来 自表面的几层原子，所以s i m s 是种表面灵敏的分析工具。s i m 8 对大部分元 素都有很高的探测灵敏度( 1 0 。4 单层) ；由于初级离子与样品表面作用的过程是 一种溅射的过程，因此s i m s 可以进行剖面分析，逐层剥离，逐层分析，得到薄 膜纵向成份分布的信息，即深度浓度剖面分析，其深度分辨率9 5 0a 。 本文利用s i m s 的深度剖析功能，对制备的多层薄膜样品纵向成份分布情况 进行分析，可以了解铜、钽和硅之间的互扩散情况，因此s i m s 可以作为本研究 鉴定阻挡层是否失效以及评定阻挡效果的理想工具。 扫描电子显微镜( s e m ) 扫描电镜是一种观察表面微观世界的全能分析显微镜，其工作原理是由电子 枪所发出的电子束在加速电压的作用下，经过三个电磁透镜会聚成一个细小到 1 - 5 r i m 的屯子探针，在末级透镜上部扫描线圈的作用下，使电子探针在试样表面 作光栅状扫描。由于入射电子与物质相互作用，结果在试样表面上产生各种信息， 如二次电子、背散射电子、吸收电子、特征x 射线和俄歇电子等。因为所获得 各种信息的二维强度分布与同试样的表面形貌、成分、晶体取向以及表面状态的 一些性质有关，通过接收和处理这些信息，就可以获得表征试样微观形貌的电子 像，或进行晶体学和成分分析。 本文利用s e m 对薄膜的表面形貌分析功能，观察薄膜表面是否平整、完好， 进而可以了解样品在制备、处理及制备条件对薄膜质量的影响，从而发现阻挡层 失效的原因。 12 原子力显微镜( a f m ) 原子力显微镜结合了扫描隧道显微 镜( s t m ) 工作原理与针式轮廓仪工作 原理。图1 1 5 是a f m 结构原理图，有 两个针尖和两套压电晶体控制机构，b 是a f m 的针尖，c 是s t m 的针尖，a 图1 1 5 a f m 结构原理图 是a f m 的待测样品，d 是维杠杆，又是s t m 的样品。针尖端上的原子与样品 表面上的原子之问的相互作用力包括静电力、范德瓦尔斯力等。作用力的大小与 它们之间的距离有某种关系。当其尖端上的原子受到样品上的原子吸引作用时， 金箔偏向样品，使金箔与s t m 针尖的距离变大，隧道电流就变小。利用s t m 的 反馈系统使隧道电流保持不变，同时让针尖在待侧表面上作光栅扫描，针尖就会 随表面的凹凸作起伏运动，用光学或电学方法测量起伏位移随位置的变化，就可 以得到表面三维轮廓图。