（材料学专业论文）ulsi铜互连线微结构与应力及其对电徙动影响的研究.pdf

北京工业大学工学硕士学位论文 摘要 本论文主要研究了u l s 【中铜互连线的微观结构和应力及其对与电徙动 m t f 的影响。 采用a f m 、s e m 和t e m 测评晶粒结构。受到凹槽侧壁形核的影响，沉积 态铜互连线随线宽的增加，平均晶粒尺寸从2 0 3 0 m 增至8 0 9 0 n m ，铜膜晶粒 尺寸约为3 0 0 n m ；3 岬铜互连线的中间区域晶粒尺寸小于侧壁处晶粒尺寸：退 火后，铜互连线晶粒长大，而且晶粒长大程度随线宽的增加而增加。利用x r d 和e b s d 测量了铜互连线的晶体学取向，沉积态铜互连线的( 1 1 1 ) 织构明显弱于 沉积态铜膜；3 0 0 、3 0 m i n 退火后，铜互连线( 1 1 1 ) 织构增强；c u 晶粒明显长 大和应变能最小化使得铜互连线和铜膜分别经过较高温度4 0 0 和4 5 0 、1 h 退火后，( 1 11 ) 织构并未发展。通过s i m s 和a e s 分析s i o n 和t a 扩散阻挡层， 结果显示两种阻挡层均可以有效防止铜向s i 0 2 层扩散。 二维面探测x r d 结果表明沉积态铜互连线中存在拉应力，其主要由热应力 产生。2 0 0 退火后，铜互连线拉应力得到松弛。 l 、2 和4 u m 宽铜互连线m t f 随着线宽的增加而增加。由于退火后，铜互 连线晶粒长大和( 1 1 1 ) 织构增强，其m t f 和激活能高于沉积态样品。4 岬铜互连 线电徙动失效的主要原因是铜沿晶界的扩散；随着线宽的降低，铜沿着侧壁 c u 1 us i 0 2 界面扩散成为l 和2 帅铜互连线电徙动失效的主要途径。 关键词铜互连线；微观结构：应力；电徙动 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ， w e1 o c u s eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n ds t r e s so fu l s ic u i n t e r c o n n e c t sw i t ht h e i ri m p a c t so nm t fo ft h ee l e c t r o m i g r a t i o n s t u d yt h eg r a i ns t r u c t u r eb yu s i n ga f m ，s e ma n dt e m s i d e w “1 ss e i n ga s n u c l e a t i o ns i t e sf o r g r a i nf o w t h ，a v e r a g eg r a i ns i z e o fd e p o s i t e di n t e r c o m l e c t s d e v e j o p e df r o m2 0 3 0 r l mt o8 0 9 0 n ma n dt h ed e p o s i t e dc ub i a n k e tf i i m si sa b o u t 3 0 0 m ；a v e r a g eg r a i ns i z eo f m i d d l ea r e a so f3 岬一c ui m e r c o 皿e c t si ss m a l l e rt h a n t h 砒o fs i d e w a l la r e a s ；g r a i n s 昏e wa f t e ra n n e a l i n g ，a n dt h e 掣a i ns i z ei n c r e a s e da s i i n e w i d t hb m a d e n s t u d yf h et e x t u r eb yu s i n gx r da 1 1 de b s d s i d e w a l l ss e r v i n ga s n u c l e a t i o ns i t e sf o r ( 1 l1 ) 静a i ng r o w t h ，( 1 11 ) t e x t u r eo f d 印o s i t e dc ui m e r c o n n e c t si s w e a k e rc o m p a r i n gw i mm eb l a n k e tf i l m s ( 11 1 ) t e x t u r eo fm ec ui m e r c o 皿e c ta f c e r a n n e a l i n ga t3 0 0 f o r3 0 m i n a r es t r e n g h e n e d g r a j ng r o w 田印p a r e n t l ya n ds t r a j n e n e r g ym i n i m i z e d ，( 11 1 ) t e x t u r eo fc u i m e r c o n n e c t sa f t e r 锄e a l i n ga t4 0 0 f o r1 h a f l db l a n k e tf i l m s 咖e a l i n ga t4 5 0 f o r1 ha r en o td e v e l o p e d s i o na i l d1 h b a r r i e r s p r o v et ob ev e r ye f f e c t i v eo na v o i d i n gc ud i f 如s i o ni n t os i 0 2b yu s i n gs i m s a 1 1 d a e s t h er e s u l t so ft 、v od e m i n s i o n sd e t e c t o rx r di n d i c a t em es t r e s eo fc u i n t e r c o 皿e c t si st e n s i l e ，a n dc o m p o s e do fm e 衄a l s t r e s sm a i n l y a f t c ra n n e a l i n g ，吐1 e s t r e s si sr e d u c e d m t fa n da c t i v a t i o ne n e r g yo fc ui n t e r c o n n e c t s a r e i m p r o v e d a sm e 、i d 协 b r o a d e n s m t fa j l da c t i v a t i o ne n e r g yo fc ui n t e r c o 衄e c t s 撕e r 踟n e a l i n ga t3 0 0 a r el a r g e rt h a nt h a to f d e p o s i t e d d u e t ot h e 鲈o 、v t ho fc u g r a i n sa n d t l l ed e v e l o p m e n t o ft h e ( 1 1 1 ) t e x t u r e d i 瓶s i o na l o n g 鲈a i nb o l l n d a r i e s 弛dc 饥vs i 0 2i i 船f a c ei n s i d e w a l l sp l a y sad o m i n a n tm l ei ne mf o r4 p m c ui r l t e r c o n n e c t s a n dl ，2 p m 。c u i n t e r c o i u l e c t s ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d c u i n t e r c o i u l e c t ；m i c r o s 觚c t u r e ； s 仃e s s ；e l e c t r o m i 鲫t i i o n l l 第一章绪论 第一章：绪论 1 1研究背景 集成电路已广泛应用于从圈常生活到国防军工的个个方蠢。但是，随萋集 成电路器件尺寸的缩小和集成皮的提高，它的可靠性目益成为人们关注的焦点。 基兹，集残逛潞由成予上万、甚至是上露万个藜本爨l 拳秘或，一量其中懿个 器件失效，其它的器件就会受到过量的压力，导致芯片失效。所以，根据串连 原理，一个系绞赘寿余建囊茭淹会最小器件熬寿命决定。困诧，器 孛的可靠瞧 对于系统的可靠性起着决定性作用。要使复杂电子系统能够在苛刻的环境下长 麓工作，关键在于提商箕微电子器件的可靠性【l l 。 自半导体集成电路技术发明以来，集成电路产业赢以指数增长率迅猛发 展，其作为现代高技术的重要支柱，经历了若干发展阶段。5 0 年代末发展起来 的属小规模集成电路( s s l ) ，集成度仪l 个器 牛；6 0 每代发展的是中靓模集 成电路( m s i ) ，集成度为1 0 0 0 个元件：7 0 年代又发展了大规模集成电路( l s l ) ， 集残瘦大予l e 令无传。7 0 警代寒邀一步发疑了超大嫂模集戏电路( v l s l ) ， 集成度在1 0 5 个元件。8 0 年代熙进一步发展了旗大规模集成电路( u l s i ) ，集成 凄魄￥l s i 又撼商了令数量缀，达到 驴个元件以上。随着集成凄静掇商，要 求器件尺寸不断减小，t 9 8 5 年，l 兆位的集成度达到2 0 0 万个无件，器件条宽 仅为1 u m 。l 2 年，i 6 兆位的芯片，集成瘦这蓟3 2 0 0 万个元件，条宽减至 o 。s 弘m ；而后的6 4 兆位芯片，其条宽己达o 3 蛳。目麓，集成电路技术己经发 展到o 1 5 0 1 3 “m 技术时代1 2 1 。集成电路产业的迅猛发展得益于半导体集成电 路技拳戆不颧受援换代。集戏电路技本的进步魏更颞按代是以赝趣工的最小线 条尺寸( 称之为特怔尺寸) 的缩小、硅片尺寸的增加和芯片集成度的增加为标 志。冀中将 委尺寸静缡小最为笑涟。戮瑟，集残奄鼹菠本霹弋良蒸鬃热工静饕 怔尺寸来称谓器件尺寸的缩小和芯片集成度的提高，方面使器件和电路的性 能得到提高，鹅一方瑟使单谴电路功镌的生产戏本下海，这是獾动徽魄子集成 电路技术能够按指数规律发展的原动力1 3 i 。 一 一。一 怒家王竣文学王举醺士带馥论文 瓣：- 檠成遴路糖零澍娥予累簿受连葶 线释数节於缝塞飙n2 霉m 、g ； 靴辩爨诧掰疆| # 辩 ， 的截掰录意图 * f 毽 a 辩沁m a 酶蠲莓s t 如弧v 鼢o f 砖潜i 秘据珥。稍鸯c t 瓣鞋辩 o 游e 张i 张删采蘸 糯辩懿 秘鞋卺r 鼓i o n s 暾黼0 2 5 黏m ，o 1 s 黼船0 + 1 社m 漤1 一j2 0 每聪s 嚣联犍米簧求 髓磷e | 一 r 鸽辩啦娣l 穰s 溆i 鞋姥 拜n 姆拇馥菇辞l o 嚣船2 越埯 2 8 年i 黔誊联接术要求 掣霞2 l2 0 0 22 0 0 30 42 5 窘o 臻霉2 0 12 4 援露滁段 1 3 魏m搿n 6 溉m5 静致m3 秘l n 涟鞲电路袅霜艨 77 888豁挚孽 9 - l 轻1 0 鬃糯奔鼹一k 2 秘3 、s2 垫3 、s2 j 摹釜。g羔2 电， & 2 2l ，舂i 6l ，3 鼹爨袋博攫n 攮) 1 4 31 2 i 1 07s 4 o 魁m 盘蕊屡数 33 砖砖璋44薅 薅 瑟褥套矮吨毒：l3 菇4 + l3 零4 13 撸肆+ l2 ，5 w 3 。g2 0 2 52 心52 t 2 ，3 随警设诗楚寸逶一涉缭小，要逡零 缓瓣黥瓣藩辩麓连静密发蹭麓。爨器藤 要逡引线懿器数选鳢擞。黛袋电器技术执o 2 5 蹦、o 1 5 j 工m 嶷纯剿o i p m ，英 瑟嚣潞豆连萼 缝嚣数腻辱瑟、6 罄壤獭翳8 瀑，魏簿1 一l 瘊汞。金藕帮缝矮羧不 凝矮热，鬻之褥鬈熬蔓连鬈迟氆攘麦。撂2 垂年瑟辩熊掌譬体餐簿搜术墼攫衮 * 皇- 第一章绪论 ( 1 t r s ) 关予互连技零的要求亲看( 轰l 1 ) | 引，随羲工艺技术豹不凝提毫金j i 鏊 层数1 ：断增加，互连引线横截面和线间距的减小，电阻、电容、电感引起的寄 生效应将会严鲎影稍毫籍瓣瞧糍，龟锩信号传输延迟豹增掬稻信号传埝薅交显 著。这些将远远超过晶体管栅延迟的影响实际上，当集成电路技术发展剿 深亚微米技术时代以后，互迄己成为确定集成电路径能、封装密度、可靠穗、 制造产率和成本的最麓要因索之一。 1 1 1 铝甄连技术 在采霜锅重连接零班藩，集成毫籍金嚣纯系统熬嚣丈分支是镪金属纯系统 和金愈属化系统。由于金抗电徙动能力远高于铝，而且其电阻率也远低于铝， 因此在大功率器件中粥的较多。铝应耀于金耩亿系统中，具有潋下静优点舔被 半导体器件和集成电路生产厂家广泛采用：电阻率较小；与热生长的s i 0 ：或淀 积的介质膜甫良好的粘附性；能与半导体形成较低的欧姆接触；便于淀积和光 刻。豚以，在v l s i 秘小功率爨牛中蛰遍采用镪金属化系统。 但随着集成电路特征尺寸的缩小，铝互连线逐渐表现出其局限性。首先， 集或魄路工傣辩，镪拦连线内会套热潋一定熬电渡，导致镊踅连线中熬铝裹子 出现热激发，与电子产生动赞交换，并沿着电子流的方向迁徙，这种传输过程 在离滠( t 2 0 0 ) 和大电流密度( x l 妒a 允m 2 ) 静幸筝用下茏为显蔫。经遵死 小时至几百小时后，铝布线就会出现空洞、裂纹和小丘等缺陷，从而造成集成 电路失效，遂就是电徙动( e i e c 仰m i g r a t i o n ，e m ) 现象。产生电徙动失效的原 因是铝布线较低的抗电徙动熊力以及离温和大电流密度。铝布线的条宽越窄， 发生电徙动失效的几率就越大。随着集成电路集成度的不断提高，器求集成电 路豹_ 特薤尺寸越来熬，l 、，继续采用钱毒线会严重影确集成彀鼹戆可靠性拍i 。其 次，铝的机械强度小，在工装中容易划伤。在高温下( 大于4 0 0 ) ，硅会向铝 中融解，形成亿舍锈。对闻越长，溢瘦越蔫，融解瀚疆藏越多，裁澎藏了渗透 坑。以后就煺渗透坑逐渐长大的阶段，因为渗透坑农面自由能最小，所以破饱 和戳后小坑逐渐长大，坑数减少，坑尺寸增大，最爵导致至连线短路或开路失 效。同时，镪金属膜还存在较为严黧的腐蚀，在通电的情况下，铝膜会发生电 - 3 - 北京工业大学工学硕士学位论文 解腐蚀，造成器件失效。据统计有，约有3 0 5 0 的集成电路失效是由铝互连 线失效引起的。 随着i c 工业的发展，器件的尺寸己进入到深亚微米阶段。市场要求i c 芯 片具有更快的运算速度、更好的可靠性、更低的功耗、更小的噪音和更低的成 本。在深亚微米器件中，传统的铝布线和s i 0 2 介质工艺己影响这些高性能的实 现。虽然通过减小金属布线的倾斜率和多层布线技术的运用，可以有效地增加 互连密度，从而可以在同样尺寸的芯片上制造更加复杂的甚大规模集成电路 ( u l s i ) 。但是由于铝的电阻率( p ) 为3 1 归c m ，s i 0 2 介质的介电常数( k ) 为3 9 ，因此在付出更高的制造成本的同时，还带来了高的寄生电阻、寄生电容 和时间常数( t ) 的问题。对于o 1 8 岬x4 0 肛m 的铝条和s j 0 2 介质组成的互连 延迟己超过o1 8 mm o s 栅延迟时间的倍，同时还带来噪声和可靠性等问题。 所以铝互连线电阻变大，r c 时间常数增大，使减小器件特征尺寸，提高晶体管 工作频率和i c 传输速度的努力受到制约，成为深亚微米集成电路速度提高的瓶 颈( 7 j o 综上所述，铝互连线已成为制约微电子技术发展的主要技术因素之一，研 究新的互连材料成为必然趋势。 1 1 2 铜互连技术 由于铝金属化系统的局限性日益严重，人们将目光转向了新型布线材料和 新的集成结构上。与传统工艺和布线材料相比用作布线间介质的低介电常数材 料的开发和低电阻率金属的使用，都能在有效地降低互连寄生参数的同时，增 加互连密度和减少布线层次 3 j 。 表i 2 铜与铝特性参数的比较 t a b l el 一2t h e c o m p a r i s o no f 也ec h a r a c t e r i s t i cp a r 啪e t e r so f c o p p e r a i l da l u m i n u m 导热系数电阻率比热密度 ( j m 口)( 斗q c m )( j 幢)( 雎m ) a l1 4 3 62 6 5 4 8o 8 9 8 82 7 e 1 2 c u3 8 6 4 41 6 70 3 8 58 9 2 e 1 2 第一章绪论 铜与铝相比作为集成电路金属化系统所用材料，有如下的优点： 首先，铜电阻率为17 p q c m ，铝的电阻率为2 7 q - c m ，铜的电阻率为铝的 6 0 ( 见表1 2 ) ，使得铜互连线中的r c 延迟大大减小，并使相应的互连线的 功耗降低很多。铜的导热系数是铝的3 倍，散热性能更加优良。 其次，铜的抗电徙动能力高于铝。互连线宽度相同的情况下，铜发生电徙 动的电流密度上限为5 1 0 6 a c m 2 ，高于铝的上限2 1 0 5 a c m 2 。比较相同晶粒 尺寸下的电徙动能，铜是o 7 7 e v 左右，纯铝为o 4 8 e v ，a l 一4 c u 为o 5 7 e v ，大 大提高了集成电路的可靠性( 见表1 3 ) 。 表1 3 不同材料的电徙动激活能的比较 t a b l e1 3t h e c o m p a r i s o no f t h ee l e c t r o m i g r “o n a c t i v a t i o ne n e r g yo f d i 俄r e n tm a t e 州s c ua 1 4 c ua 1 电徙动激活能( e v ) 0 7 7o5 7o 4 8 再次，铜互连线与低介电常数( k 4 ) 的材料( 取代布线层问的s i 0 2 ) 相结 合，可以进一步减小寄生电容。根据文献【8 l 中的模拟结果，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 l 4 1 6 。 最后，铜互连线可以承受更高的电流密度，从而可以缩短连线的长度，减 少布线的层数，提高集成密度，降低集成电路的成本，提高集成电路的可靠性。 当器件的尺寸达到o 1 8 m 或更窄时，布线层数( 以0 1 8 m 为例) 也由a l 布线 的8 层减少为c u 布线的4 层，并能达到a l 布线4 倍的运算速度，制作成本亦 降低了2 0 3 0 【7 1 。 因此，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 等公司提出将 用铜布线替代铝和相应的镶嵌工艺时，引起极大反映【7 1 。铜互连镶嵌工艺为在 热生长二氧化硅的单晶硅基片上，用等离子于蚀法刻蚀沟槽，然后淀积扩散阻 挡层和晶种层，然后在淀积金属铜。最后通过化学机械抛光( c h e m i c a l m e c h a n i c a l p o l i s h ，c m p ) 将上层多余的铜和扩散阻挡层去掉，沟槽宽度和深度一般在几十 北京工业大学工学硕士学位论文 纳米到几个微米【9 l 。 如今，采用铜布线技术的高速s r a m 、微处理器和超大规模a s i c 等产品 都己纷纷问此。表1 4 显示了世界主要半导体公司采用铜布线的进展情况 i o j 。 从表中可知，美国首先采用铜互连技术，是开路先锋。日本比美国约晚2 年左 右，美国i b m 公司于在1 9 9 7 年9 月在世界上首先研制成功c m 0 s 一7 铜布线工 艺，并在1 9 9 8 年9 月1 日开始批量生产铜互连线商用j c ，如4 0 0 m h z p o w e r p c 7 4 0 7 5 0 微处理器。它主要用于台式、笔记本式p c 和高档消费类电子设备。 a p p l e 公司首先将i b m 公司的铜布线i c 用于第一流的主机，小型计算机和工 作站。1 9 9 8 年底出样机，1 9 9 9 年批量生产。m o t o r o l a 和a m d 公司联合开 发了铜布线技术，用于新一代i c ，如蜂窝电话和联网装置用嵌入式i c 、台式i c 中微处理器等。m o t o r o l a 公司于1 9 9 8 年四季度批量生产铜布线5 0 0 m h z p o w e r p c 芯片。a m d 公司将铜布线技术用于k 7 微处理器，于1 9 9 9 年上市。 t i 公司于1 9 9 9 年下半年将铜布线用于更先进的d s p ，其处理速度可比原来的 产品快1 0 倍。此外，t s m c ( 台积电) 从2 0 0 0 年第四季度开始按0 1 3 岫工艺 生产，并实现了各层铜布线。 表l 。4 主要半导体公司采用铜布线的进展州 t a b j el - 4 d e v e j o p m e n t s o f c 0 p p e r j n 亡e r c o n n e c t s j n t h e m a i ns e m j c o n d u c t o r c o m p a n y 公司批量生产日期特征尺寸含铜层数备注 i b m1 9 9 8 年9 月 o 2 2 u m第二层以上a s c i1 9 9 9 年1 月批量生产 m o t o r o l a1 9 9 8 年四季度0 1 5u l ns r a m1 9 9 8 年四季度销售 t i 1 9 9 9 年二季度 0 1 8 u m全层 v l s i 技术1 9 9 9 年末0 1 8 n第四层以上 台湾半导体制造1 9 9 9 年末o 1 8 u ma l 和c u1 9 9 8 年末开始研制 富士通1 9 9 9 年末0 1 8u i r i全层 日立未定0 1 8 u m 第二层以上2 0 0 0 年销售 松下2 0 0 0 年二季度0 1 8 啪全层 三菱2 0 0 0 年末o 1 8 u m第四层以上 n e c2 0 0 0 年初0 1 8 第二层以上 t s m c2 0 0 0 年底o 1 3 n全层 6 第一章绪沦 随着铜布线工艺的诞生，铜布线器件的可靠性判断和可靠性研究成为讨论 的热点。由于铜金属在材料性质、制备工艺及布线结构方面与铝金属的差别， 有关铜金属布线的可靠性必须开展新的研究。 微观结构即金属膜的晶粒度和织构对互连线电徙动的寿命长短具有至关重 要的作用。因为金属离子的迁移是沿着晶界而不是穿过晶粒，所以较大的晶粒 尺寸可以减少晶界面积，使得金属离子的扩散途径受到限制，从而有效的提高 电徙动寿命。而不同的晶种层能产生不同结构的铜金属膜，也是影响电迁移寿 命的因素。同样晶粒度的( 1 1 1 ) c v d 铜的寿命比( 2 0 0 ) c v d 铜的寿命长了四倍， 说明( 1 1 1 ) 织构有助于延长铜膜的寿命。由于电镀技术具有沿槽的侧壁向下淀积 速率依次加快的“s u p e r f i l l i n g 填充方式，使得电镀铜含有较少的空洞和裂缝； 同时，铜电镀技术具有淀积速率快、费用较低、所需温度较低等优点使其成为 u l s i 铜互连技术中铜淀积技术的主流【8 1 。 在铜互连线的微观结构方面，电镀铜层晶种层阻挡层的结构也是研究 铜金属化可靠性的重要内容。由于扩散阻挡层中存在晶粒边界或空洞，铜原子 通过阻挡层中的这些缺陷穿过阻挡层，到达硅表面，首先在界面形成积累，与 界面的硅发生反应，形成c u 3 s i ；随着铜原子的增多，再进一步扩散到硅体内， 引起器件性能的下降。这些微结构的设计不当和金属化工艺过程生成的缺陷部 会导致器件失效。对阻挡层的研究具有非常重要的意义。t a 作为铜的扩散阻挡 层，具有较好的黏附性和热稳定性；同时溅射t a 薄膜具有强烈的( 1 1 1 ) 取向， 它可以使得铜膜外延生长( 1 1 1 ) 织构。但是由于t a 在化学机械抛光中难于被除 去，使得工艺较为复杂。介质阻挡层与金属阻挡层的不同之处在于介质材料本 身不具有导电作用，因此其最大的优点就在于不用考虑将凹槽之外的阻挡材料 去除，相反这些材料会起到阻止铜的层问扩散的作用，从而使得铜互连工艺简 化。s i o n 是一种新型介质阻挡层，与传统的介质阻挡层相比，s i o n 阻挡层可 在光刻沟槽及通孔之后，通过注氮形成。这种工艺在通孔底部没有形成s i o n 层，避免了进一步的光刻，并且s i 0 n 阻挡层具有台阶覆盖率好的优点【1 1 1 3 】。 在1 9 8 4 年国际可靠性物理论丛( i n t e m a t i o n a lr e l i a b i l i t yp h y s i c s s y m p o s i u m ) ，初次报告了一种不同于电徙动失效的新失效类型，即互连线在不 北京工业大学工学硕士学位论文 通电的情况下，在高温( 约1 0 0 以上) 放置就会出现断路，主要原因是金属互 连线( a 1 ) 和介质层( s i 0 2 ) 的热膨胀系数相差很大( 铝的热膨胀系数为2 3 5 l o b k ，二氧化硅的热膨胀系数为0 5 5 l o6 k ) ，产生热应力，并造成缺陷， 应力迁移由此而被命名。由于采用全新的工艺，铜互连线应力分布状况与铝相 比存在较大的差异，如何降低膜内部应力水平，对可靠性具有至关重要的作用 1 8 】。 电徙动是互连线中最重要的可靠性问题。由此引起的金属薄膜失效有两种 模式：一种是空位的积累使金属互连线出现空洞，导致电阻增大或完全开路。 另一种是离子堆积而形成的小丘或晶须，引起相邻金属互连线之间的短路【“】。 随着器件尺寸的减小和超大规模集成电路集成度的提高，互连线中的电流密度 越来越高，电徙动这一失效模式就日益成为人们关注的焦点。因为铜金属具有 较高的电迁移激活能，铜金属布线的使用在定程度上提高了器件电迁移的寿 命，两层结构铜布线的电迁移寿命比同结构铝布线的电迁移寿命长得多。但是 铜互连线作为一种新技术，在材料、工艺、布线结构上均有别于铝互连线，具 有其特殊的失效模式和失效机理，仍需要进步研究【1 9 2 0 1 。 目前，铜互连线技术的研究和应用在国外已得了很大进展，国内尚处于起 步阶段。本项目“u l s i 铜互连技术的工艺研究”是国家自然科学基金资助的第 一个国内有关铜互连技术的课题，其采用高校与研究所联合攻关的方式，发挥 各自优势，取长补短，共同完成铜薄膜器件的工艺、测试和分析的工作。铜互 连线微观结构和应力及其对电徙动影响的研究是课题的一个组成部分。 1 2 本论文研究内容 结合现有的研究能力和检测设备，本论文主要研究了铜互连线的微观结构 和应力及其对电徙动的影响。 铜互连线微观结构的研究：利用原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e a f m ) 、扫描电镜( s c a l l n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s e m ) 和透射电镜( t r a l l s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，t e m ) 分析和评价了铜连线的晶粒尺寸和形貌：通过x 射 线衍射仪( x r a yd i 册a c t i o n ，x r d ) 和电子背散射衍射仪( e l e c t r o nb a c ks c a t t e r l 第一章绪论 d i m a c t i o n ，e b s d ) 分别测评了铜互连线的宏观和微观晶体学取向；通过表面 分析技术二次离子质谱仪( s e c o n d a r yi o nm a s ss p e c t r o m e t e r ，s i m s ) 和俄歇能 谱分析( a u g e re n e t g ys p e c t r o m e t r y ，a e s ) 对铜互连线的新型扩散阻挡层进行 评价。 铜互连线的应力研究：理论分析铜互连线工艺中残余应力产生的原因：通 过薄膜应力测试分布仪和二维面探测器x 射线衍射仪对铜膜及铜互连线薄膜的 宏观应力进行测评。 铜互连线电徙动实验：采用程控电源、万用表、热台和探针卡等仪器测量 了铜互连线的中值失效时间( m e d i at i m et of a j l u r e ，m t f ) 比较不同宽度铜互 连线的抗电徙动能力，计算其中值寿命和激活能，探讨其失效机理，并与铝互 连线进行了比较。 第二二章安骏弹晶潮罄 第2 章实验样晶制备 本癸验分耩籁测试豹镉互遣绫榉黠密中稀院徽亳子中心深豫微米鬃藏电路 生产线键供。大马士孳锱互逑线工艺流稷觅图2 * l 所示。 蚕2 铜重逢孛翡大弩士摹王艺 f i 群撼2 s 穗蝴a 蛀e 西瓤d 嘲鑫s c e n e 强。孙o l o 斟i nc o p p 群龇f c o n 玑e 漆 北京工业大学工学硕士学位论文 单层大马士革镶嵌工艺铜互连线以p 型( 1 0 0 ) 取向硅片作为基底。利用 等离子增强化学气相沉积( p l a s m a e n h a n c ec h e m i c a lv a p o r d e d o s i t i o n ，p e c v d ) 法生长l “m 厚的s i 0 2 于p 型( 1 0 0 ) s i 基片上，工作温度2 8 0 ，s i h 4 和o ， 反应，反应压力2 3 p a ，然后利用等离子体干法刻蚀技术在s i 0 2 层上分别刻出线 宽为o 5 、1 、2 、3 和4 肛m ，深为o 5 “m 的沟槽，见图2 1 ( a ) ，铜膜样品不刻槽。 随后淀积阻挡层和晶种层，如图2 一l ( b ) 和( c ) 所示。最后，在c u s 0 4 溶液中向凹 槽中电镀铜膜，工作温度为5 0 ，多余的铜膜利用化学机械抛光( c h e m i c a l m e c h a l l i c a lp o i i s h i n g ，c m p ) 除去，见图2 i ( e ) 和( d ) 。在n 2 保护下，铜互连线 进行了2 0 0 、3 0 0 、和4 0 0 、3 0 m i n 退火处理；铜膜进行了2 0 0 和4 5 0 、 1 h o u r 退火处理。 3 0 0 和4 0 0 、3 0 m i n 退火前后的o 5 岬、1 t m 、3 肛m 和4 m 线宽铜互连 线以及2 0 0 和4 5 0 、1 h 退火前后的铜膜分别用于微观结构和应力的观测。图 2 2 显示了其截面示意图。在s i 0 2 层刻槽后，直接磁控溅射5 m 后t a 和5 0 n r n 厚c u 晶种层，随后电镀铜填充凹槽，并c m p 去除多余的铜膜。 l 坠： 1 b ：兰一l s i 0 】( 1 肛o s i w a k r ( 5 0 0 ) 图2 2 用于微观结构和应力分析的c u 互连线截面示意图 f i g2 2c r o s s s e c t i o no f c ui n t e l o n n e c t sf o rm i c r o s t m c t u r ea 芏1 ds t r e s sa n a l y s i s 用于二次离子质谱仪和俄歇谱仪分析的样品为具有s i o n 和t a 的双层阻挡 层( t a 同时作为粘附层) 和t a 阻挡层的铜膜。表2 1 显示了用于阻挡层分析的 铜膜工艺。具有s i o n 介质阻挡层的样品，在1 0 k e v 的能量下，向s i 0 2 层注入 氮气，注氮剂量为3 1 0 ”c m ，随后磁控溅射5 n m 厚t a 粘附层和5 0 n m 厚c u 晶种层，工作条件：真空度为3 1 0 。p a 、溅射氩气压为2 6 l o 1 p a 、阴极靶电 压为6 0 0 v 、靶电流为5 0 0 m a ；具有t a 阻挡层的样品则直接磁控溅射5 0 n m 厚 第二章实验样品制备 t a 阻挡层和5 0 n m 厚c u 晶种层。 表2 ，l 用于阻挡层分析的铜膜的工艺 a b l e2 * d e s e f p l l o n s 。f p c e s s e so f e h 羁m sb 。i 驻gu s e dl nb a r f 瑚嚣a n 8 l y s l s 样品工艺 s i o n 和t a 的双层阻挡层钢p 型( 1 0 0 ) s i 生长s i 0 2 ，一离子注氮s i o n ，厚5 0 m n 一 壤( 赛终为嚣辫基)溅射强，厚5 n m 一溅黪c u ，蓐2 0 n m 一热处理3 0 8 ，3 0 分钟，n 2 保护( s i s i 0 2 ，s i o n ，t v c u ) 翔隧挡屡镯貘 p 型 l o o ) s i 生长s ；0 2 一溅豺强，淳5 0 n m 一溅射c h ， 厚2 0 n m 一热处理3 0 0 ，3 0 分钟，n 2 保护( s i s i 0 2 厂i 犹u ) 图2 。3 电徙动样品平面示意图 萝l g 2 - 3s c 魏e m a 鞋ep a 兢e mo f 铀i n 融黼e c t s 受r 嚣l 髓蛳m i 秽蕊强诧s s 遴行电徙魂实验的样品分剐为滠揆态秘3 0 0 退火矮l 、2 、4 斗m 突锶互遗 线。其版图见图2 3 所示，由六根等长度的串连铜互逐线条组成，每一铜互连 线条静长痰为4 g e 汹，睡璇分潮与压辫点连接。褒嚣令在宰逵戆六个一键豹群 品中，互连线的宽度是一致的。为了保诫与探针卡探针的接触良好，选用了2 0 0 m 2 “m 见方静压辉点。 第三章实验方法 第3 章实验方法 3 1 铜互连线微观结构分析 v a i d y a 和s i l l l l a 研究了互连线的晶粒尺寸和晶体学取向对电徙动寿命的影 响，给出了m t f 与薄膜微观结构的关系f 2 l l ： 脚。c 扣恕) 3 p t ， 式中 s ：平均晶粒直径； 盯：晶粒尺寸对数标准偏差； 业：( 1 1 1 ) 与( 2 0 0 ) 晶面的衍射强度比。 1 ( 2 0 0 ) m t f 正比于平均晶粒尺寸和i 盟的三次方。 1 ( 2 0 0 ) ( a ) 图3 1 温度下降时a 1 1 s i 0 5 c u 导线( 0 8 岬高，0 9 岬宽) 所承受的应力( a ) 及应变( b ) 0 2 1 f i g3 - 1t h es 仃e s s ( a ) a n ds 订a i n ( b ) a c t i n g o na 】- l s i - 0 5 c uc o n d u c t o r w 淌d e c r e 私i n g t e m p e r 卸j f e 平均晶粒尺寸越大，互连线中的晶界面积就越小，相应的减少了晶界扩散 的途径。平行于沉积表面的( 1 1 1 ) 织构对于互连线的电徙动寿命具有重要的作用。 t s - j e 黎工监大学工学硕士学位论文 铝膜晶粒( 1 1 1 ) 面平行于沉积面时铝膜在垂直于沉积面的方向上有较大的塑性变 形抗力，蠢滔沉积瑟凑筑方起赠有缀小懿鳖缝变形抗力。参照鹜3 1 f 砖亵( b ) 爵 以看出( 1 1 1 ) 丽织构使得铝朕导线在应力作用下沿长度方向明显变形而松弛应 力；蕊时滔簿发方尚变形镬小，有效缝陵止了导线失效吲。同时强麴( i ) 翁织 构可以减少沿线条方向大角度晶界的存在，从而对晶界扩散起到减弱作用，十 分有利于克服“电子风”效应所造成的不利影响f 2 3 j 。铜有与铝完全相同的晶体 结构，也会露相似的( 1 1 1 ) 厦织构效威，但锕互连线采用了不网于铝的全耨工艺， 凹槽和退火温度的影响使其具有不问铝互遣线的显微结构，所以对其显微结构 款磷究卡分蘩要。 3 1 1 铜甄连线形貌和黼粒尺寸的观测 采用原予力显微镜，扫描电镜和透射电镜，对不同温艘退火前后o 5 “m 一 4 础不同线宽的铜夏连线和平坦的铜膜在电徙动实验前詹进行了表露形毅观 察，评价了铜互连线的晶粒形态和晶粒尺寸。 使雳仪器： a f m d i 公司、m i 公司和s e i k o 公司； s e m 一辩l a e 辩ls 一4 5 0 ，热逮电匿2 0 k v ； t e m j e m 1 2 3 0 ，加速电压6 0 k v 。 3 1 2 铜蕊连线龋体学取向分析 采用x 魅线嚣瓣宏鼹织掏彝电予蜚散瓣辑骛重徽织毒句的鼹秘测试方法，溅量 ( 1 1 1 ) 极图、( 2 0 0 ) 极圈、( 1 1 1 ) 摇摆线( p o i ef i g u r e ) 、反椴图和取向分布函数( o d f ) 等数据，分辑镪互谶线霹镄貘熬晶体学取离。 x ，射线衍射分柝采用日本理学d m a ) ( 3 c 型衍射仪及其织构附件，测试x 一 射线辐照区域中多椴互连线的衍射统计数撼( 宏蕊织构) 。测试参数为：铜靶， 3 5 k v 3 0 m a ；扫描速率1 0 m i n 、步长o 。0 2 。；极图范围是0 。一7 0 。；o d f s 的 计算采用的是b u n g es y s t e m ” 2 躬。 电子鹜毅射锈射分援采攮p l l l i p s x l 3 0 扫搂电镜上配鬟豹t s l 瞧子背散射 衙射附件，测试单个互连线中的衍射统计数据( 微观织构) 。e b s d 是2 0 世纪 第三章实验方法 8 0 年代发展起来的晶体学分析技术。它以哑微米的尺度，实现对单个晶粒取向 的测定微织构分析。e b s d 成像原理如图3 2 所示。在s e m 中，入射电子激 发产生的背散射电子可以在所有晶面发生衍射。同一组晶面产生两个衍射圆锥， 在荧光屏上截取的圆锥段近似为一对平行线，成为蕴池线，即电子背散射菊池 花样。一对菊池线代表晶体中的一组晶丽，线对距离反比于晶面间距，菊池线 交叉处代表一个结晶学方向。高能电子衍射由于采用平行入射电子波的弹性散 射，常常只能从一个单晶区域获得一个晶带的衍射信息。e b s d 菊池衍射花样 由于发生的非弹性散射可产生更多的衍射机会，从而提供较为丰富的三维结构 信息。由于在e b s d 分析中，样品处于7 0 。的大角度倾斜位置，以此，可记录到 大角度范围的菊池衍射花样，相当于一幅包含若干个单位三角形的菊池图，从 而更直观和正确地反映晶体的三维对称性。 图3 2 电子束在一组晶面上背散射菊池衍射示意图【2 5 】 f i g u r e3 2s c h e m a t i ci 1 i l u s t r a t i o ns h o w i n g t t l ef o r r n a t i o no f o n e p a i ro f k i k u c h i l i n e sf r o m d i a a c t i o no f t h ee l e c t r o nb e a mw i t l lo n ef a m i l yo fl a 托l c ep l a n e s 采用e b s d 的微区晶体学分析方法，可获得空间分辨率为o 2 岬的衍射数据， 实现亚微米尺度的晶体学和显微形貌组织的对应分析。利用e b s p 所包含的结 晶学信息可以统计分析所有7 个晶系的取向关系及晶粒之间的取向差异，测量 精度高于1 。e b s d 的信息还包含晶体结构及物相鉴定、晶粒尺寸、晶界相界 北泵工业大学工学硕士学位论文 类型及晶体存在塑性应变时的应变分析。e b s d 是织构分析的全新方法【2 6 。2 引。 e b s d 实验条件为：沉积态铜互连线数据采集范围为x = 2 8 “m 、y = 8 8 岬， 步长为o 0 7 p m ，采点数为5 7 5 4 5 3 个；3 0 0 退火后的锔互连线数据采集范围为 x 2 3 4 “m 、y = 1 8 2 m ，步长为o 1 0 “m ，采点数为7 1 2 5 4 3 个。 3 2 铜互连线界面扩散分析 通过二次离子质谱仪和俄歇电子能谱仪对铜互连线的扩散阻挡层进行评 价。 使用仪器： s i m s i m s 一4 f 。 a e s a m e r i c a p h y s i c se l e c 廿o n ，p h l - 5 5 0 。 3 3 铜互连线应力分析 薄膜材料的应力由两部分组成，它们是薄膜材料与衬底热膨胀系数不同而 产生的热应力毋和薄膜材料与衬底结构不匹配而产生的本征应力西 口= 毋+ 毋 ( 3 - 2 ) 热应力表示为 e ， 口m2 羔( 口厂q ) ( 乃一) 3 3 其中母、v 为薄膜材料的杨氏模量和泊松比，d ，和d 。为薄膜和衬底的热 膨胀系数，乃、分别为薄膜淀积时和测量时的衬底温度。在口，和d 。不随温度 变化的情况下，本征应力是在薄膜形成过程中产生的。对于一定的衬底材料， 它主要是由薄膜的微观结构所决定，与其形成方法及具体工艺条件密切相关。 本征应力来源于界面处薄膜与衬底材料结果的失配和薄膜中的结构不完整性， 其数值随薄膜中缺陷密度的增加而增大【2 9 】。 铜互连线中的残余应力主要是由下列原因所造成：铜膜和与其相接触的 s i o ：的热膨胀系数明显不同而产生热应力，造成互连线内部形成残余应力。铜 与铝相比热膨胀系数较低，相应的会降低与基片热膨胀系数不同所造成的热应 第三章实验方法 力，表3 - 1 显示了不同材料间的线膨胀系数。界面失配是在铜互连线的制备 过程中，沉积了多层薄膜，薄膜间的晶格结构存在较大差异，导致互连线中存 在较大的残余应力。 表3 1 不同材料的线膨胀系数【3 0 1 t 曲l e3 1c o e 箭c i e n to f t h e r n l a le x 口a n 5 i o no f d i 黯r