NDC工藝中不同預(yù)處理氣體對(duì)銅互連可靠性的影響

張榮躋,劉建強(qiáng)

NDC工藝中不同預(yù)處理氣體對(duì)銅互連可靠性的影響

張榮躋1,劉建強(qiáng)2

1. 電信科學(xué)技術(shù)研究院, 北京 100191 2. 中芯國(guó)際集成電路制造有限公司, 北京 100176

隨著工藝節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，銅互連線代替鋁互連線被廣泛使用，大馬士革工藝因?yàn)椴恍枰涛g銅，所以銅金屬化應(yīng)用大馬士革法處理。銅暴露在空氣中易被氧化，形成的氧化物會(huì)擴(kuò)散到介質(zhì)層中，對(duì)層間介質(zhì)產(chǎn)生很大損害，并導(dǎo)致互連線間的泄露電流增大。氮摻雜碳化硅（NDC）介質(zhì)層是一種含氮（N）、硅（Si）、氫（H）、碳（C）四種元素的薄膜，被用作阻擋銅擴(kuò)散的擴(kuò)散阻擋層而淀積。首先，本文介紹了NDC介質(zhì)層的工藝流程，然后對(duì)比了不同等離子氣體進(jìn)行預(yù)處理時(shí)對(duì)銅反射率、銅互連線間泄露電流、介質(zhì)層介電常數(shù)、介質(zhì)層產(chǎn)生缺陷的概率等一系列的影響，最后優(yōu)化工藝，減少了NH3等離子體預(yù)處理時(shí)NDC介質(zhì)層產(chǎn)生氣泡缺陷的概率。結(jié)果顯示H2等離子處理比NH3等離子處理有更好的氧化物排除效率，對(duì)NDC介質(zhì)層有更少的損害。但是，NH3等離子體處理時(shí)在銅互連線間產(chǎn)生更少的泄露電流，使銅互連線有更高的可靠性。

NDC介質(zhì)層; 氣體; 銅互連

隨著芯片尺寸的不斷縮小，銅（Cu）代替鋁（Al）作為互連線來(lái)減少電阻從而獲得更高的芯片性能，雙大馬士革工藝因?yàn)椴恍枰獙?duì)Cu進(jìn)行刻蝕,在實(shí)際生產(chǎn)中用來(lái)淀積Cu[1]。在Cu淀積之后，Cu會(huì)暴露在空氣中被氧化，形成的氧化物會(huì)在介質(zhì)層中迅速擴(kuò)散，對(duì)層間介質(zhì)產(chǎn)生很大損害[1]，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，需要一個(gè)擴(kuò)散阻擋層來(lái)阻擋Cu的擴(kuò)散[2]。氮摻雜碳化硅（NDC）是一種含氮（N）、硅（Si)、氫（H）、碳（C）四種元素的薄膜，被用作阻擋銅擴(kuò)散的擴(kuò)散阻擋層而淀積。NDC介質(zhì)層是和Cu臨界的介質(zhì)層，它保持了較低的介電常數(shù)（K），并且不含Cu和O元素，從而確保了良好的電學(xué)可靠性。NDC介質(zhì)層同時(shí)提高了介質(zhì)層的刻蝕選擇性，密封性較好，阻擋了外界的潮濕和氧元素?cái)U(kuò)散至Cu中。另一方面，形成的氧化物會(huì)減少Cu和擴(kuò)散阻擋層之間的支持力，由于Cu互連線間的主要泄露電流路徑沿著Cu和擴(kuò)散阻擋層的分界面[3]。因此，當(dāng)Cu和阻擋層間的結(jié)合力減弱時(shí)，泄露電流會(huì)顯著增加。隨著器件尺寸的縮小，即使很小的電流也可能造成互連線間的擊穿。所以，作為現(xiàn)在大規(guī)模投入生產(chǎn)應(yīng)用的工藝，NDC介質(zhì)層在淀積前增加了等離子體預(yù)處理工藝步驟，來(lái)還原形成的Cu氧化物，增加Cu和阻擋層之間的結(jié)合力，進(jìn)而減少泄露電流。NDC介質(zhì)層淀積時(shí)使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法,淀積后會(huì)繼續(xù)使用等離子體后處理去除晶圓表面的微塵粒子（Particle），為了探究不同等離子體預(yù)處理氣體以及預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)Cu互連工藝可靠性的影響，我們選擇在相同前置工藝條件下，分別通入氨氣（NH3）和氫氣（H2）進(jìn)行等離子體預(yù)處理，觀察記錄不同預(yù)處理氣體以及預(yù)處理?xiàng)l件下銅反射率，泄露電流，介質(zhì)層介電常數(shù)以及產(chǎn)生缺陷概率等，分析研究不同預(yù)處理氣體對(duì)銅互連線以及NDC介質(zhì)層產(chǎn)生的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量Cu反射率來(lái)評(píng)估Cu氧化物的還原效率，隨著Cu表面被氧化，Cu反射率會(huì)減少，計(jì)算等離子體處理前后的Cu反射率改變的百分比來(lái)評(píng)估Cu氧化物的還原效率，改變的百分比越大，代表還原效率越高。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

通過(guò)俄歇電子能譜（AES）進(jìn)行深度剖析Cu表面氧元素的含量變化，介質(zhì)層的介電常數(shù)變化通過(guò)量測(cè)電學(xué)厚度（Tox）完成，NDC介質(zhì)層的bubble defect通過(guò)掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)Cu互連線可靠性的影響

2.1.1 Cu氧化物的移除通過(guò)AES進(jìn)行全元素深度剖析發(fā)現(xiàn)，H2等離子處理時(shí)間為t時(shí)，O元素的含量迅速減少，隨著時(shí)間的增加，O元素濃度幾乎保持不變，說(shuō)明Cu表面的氧化物已被移除；相反，NH3等離子處理時(shí)間為t時(shí)，O元素濃度較高，繼續(xù)增加NH3預(yù)處理時(shí)間，O元素濃度逐漸減少，Cu表面的氧化物逐漸移除，說(shuō)明H2比NH3有更高的Cu氧化物移除效率，主要原因是H-H鍵解離能更低，H2在射頻發(fā)生器的作用下比NH3電離出更多的H離子[4]。通過(guò)計(jì)算Cu反射率改變百分比發(fā)現(xiàn)，如圖1所示，當(dāng)處理時(shí)間較短時(shí)，H2等離子體處理比NH3等離子體處理有更高的Cu反射率改變百分比，代表Cu氧化物移除效率更高，和Cu氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)速率更快。隨著NH3等離子體處理時(shí)間的增加，Cu反射率先上升再下降，主要原因是Cu表面的氧化物逐漸移除之后，N和Cu會(huì)形成Cu-N化學(xué)鍵，導(dǎo)致Cu反射率下降。

圖 1 Cu反射率改變百分比隨預(yù)處理時(shí)間變化關(guān)系

圖 2 Cu互連線間泄露電流隨預(yù)處理時(shí)間變化關(guān)系

2.1.2 Cu互連線間泄露電流圖2顯示了Cu互連線間泄露電流隨預(yù)處理時(shí)間變化關(guān)系，H2等離子體處理比NH3等離子體處理在Cu互連線間產(chǎn)生更大的泄露電流，易造成互連線的擊穿。Cu互連線間的主要泄露電流路徑沿著Cu互連線和擴(kuò)散阻擋層的分界面，而等離子體處理不改變Cu互連線的結(jié)構(gòu)，由于NH3等離子體處理時(shí)會(huì)形成Cu-N化學(xué)鍵，使Cu互連線和NDC介質(zhì)層分界面的結(jié)合力增強(qiáng)，從而減少了Cu互連線間的泄露電流，并且泄露電流的大小不隨預(yù)處理時(shí)間的增加而變化[5]。

2.2 不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)NDC介質(zhì)層可靠性的影響

2.2.1 NDC介質(zhì)層介電常數(shù)由于NDC介質(zhì)層在淀積過(guò)程中也會(huì)暴露在等離子體環(huán)境下，等離子體對(duì)NDC介質(zhì)層會(huì)產(chǎn)生一定影響。由于在等離子體環(huán)境下，等離子體中的活性分子能夠去除NDC介質(zhì)層包含C的疏水基，使薄膜變得親水，吸收潮濕，增加了K值，從而影響芯片傳輸速度。由于NH3解離出的N原子滲入到NDC介質(zhì)層中，即氮化作用，導(dǎo)致NH3等離子體處理比H2等離子體處理使NDC介質(zhì)層增加了更多的K值[6]。隨著時(shí)間增加，由于離子轟擊，減少了NDC介質(zhì)層中C原子的濃度，使NDC介質(zhì)層上的孔密封，NH3不會(huì)繼續(xù)滲入到介質(zhì)層中，K值的增加達(dá)到飽和。

2.2.2 NDC介質(zhì)層產(chǎn)生Bubble defect概率 NDC介質(zhì)層在等離子體環(huán)境下產(chǎn)生的bubble defect使用SEM觀察，Cu氧化物移除越充分，產(chǎn)生bubble defect概率越小。由于NH3活性較強(qiáng)，導(dǎo)致介質(zhì)層層被撕裂，應(yīng)力在整個(gè)晶圓薄弱點(diǎn)被釋放，從而導(dǎo)致bubble defect的產(chǎn)生[7]，在實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)法排除反應(yīng)室中的NH3尤為重要，實(shí)驗(yàn)分組如表1所示。結(jié)果得出，無(wú)論如何改變工藝參數(shù)，NH3含量均大于180；如果在NDC介質(zhì)層淀積完成后加入N2沖洗步驟，NH3含量明顯減少。通過(guò)SEM觀察，N2沖洗后NDC介質(zhì)層上bubble defect產(chǎn)生概率明顯減少，這對(duì)NDC工藝可靠性的提高有顯著意義。

表 1 氨氣等離子體預(yù)處理氣泡缺陷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)安排表

3 討論

本項(xiàng)研究驗(yàn)證了不同氣體預(yù)處理對(duì)Cu互連工藝可靠性的影響，結(jié)果證明H2等離子處理比NH3等離子處理有更好的氧化物排除效率，對(duì)NDC介質(zhì)層有更少的損害。但是，NH3等離子體處理時(shí)在銅互連線間產(chǎn)生更少的泄露電流，使銅互連工藝有更高的可靠性。目前正在研究使用兩種氣體同時(shí)處理以及如何配比對(duì)Cu互連工藝可靠性的影響，對(duì)NDC介質(zhì)層預(yù)處理工藝步驟的還原效率及對(duì)半導(dǎo)體后段制程可靠性的提高有顯著意義。實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)因一些原因已做歸一化處理，請(qǐng)大家諒解。

4 結(jié)論

隨著芯片尺寸的不斷縮小，Cu互連線逐漸取代Al互連線被廣泛使用，由于Cu很容易暴露在空氣中被氧化，形成的氧化物會(huì)減少Cu互連線與介質(zhì)層之間的結(jié)合力，從而使泄露電流增大。另一方面，由于尺寸縮小，即使很小的電流也可能造成互連線的擊穿，所以減少互連線間的泄露電流成為半導(dǎo)體后段制程的重中之重。在目前的實(shí)際生產(chǎn)中，NDC介質(zhì)層常作為擴(kuò)散阻擋層而淀積。本文通過(guò)研究不同氣體進(jìn)行等離子體預(yù)處理時(shí)對(duì)銅反射率、銅互連線間泄露電流、介質(zhì)層介電常數(shù)、銅互連線與介質(zhì)層分界面的結(jié)合力等一系列的影響，優(yōu)化NDC工藝中等離子體預(yù)處理工藝步驟，來(lái)減少對(duì)NDC介質(zhì)層以及Cu互連線的損害并通過(guò)優(yōu)化bubble defect產(chǎn)生概率來(lái)增加Cu互連工藝的可靠性。本文研究對(duì)半導(dǎo)體后段制程可靠性的提高有顯著意義。

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Effects of Different Pretreatment Gases on the Reliability for Copper Interconnects in NDC Process

ZHANG Rong-ji1, LIU Jian-qiang2

1.100191,2.()100176,

As the process node decreases constantly, aluminum interconnect has been replaced by copper interconnect to use widely. Because damascene process does not need to etch copper, copper metal uses dual-damascene process. Copper can be oxidized easily by exposuring to air, and the formed copper oxide will diffuse rapidly into interlayer dielectrics. The copper oxide will damage the interlayer deeply and increase the leakage current between the interconnects. NDC interlayer is a film which has four elements include N, Si, H, C and is always deposited as the diffusion barrier film to hold up the copper diffusion. First of all, the flow of NDC interlayer was introduced in this paper. Then, the effects of different pretreatment plasmas on copper reflection, the leakage current between copper interconnects, dielectric constant and the probability of defects on interlayer were compared, and the process was optimized to reduce the probability of bubble defects in NDC interlayer during NH3plasma pretreatment. The results show that H2plasma treatment has better oxide removal efficiency and less damage to NDC interlayer than NH3plasma treatment. However, NH3plasma treatment produces less leakage current between copper interconnects, which makes the copper interconnects more reliable.

NDC interlayer; gas; copper interconnect

TN405

A

1000-2324(2019)04-0706-03

2019-01-24

2019-02-23

張榮躋（1994-）,男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榧呻娐分圃旃に? E-mail:15663592622@163.com