桂 鵬，汪 輝

（上海交通大學(xué)，上海 200000）

1 引言

在現(xiàn)今0.13 μm以下的深亞微米集成電路制造中，后道金屬互連工藝在連線的線寬縮小的同時(shí)，既要保證半導(dǎo)體器件互連之間的隔離效果，還要承受比以往更高的電流密度。若采用AlCu合金材料作為連線，容易出現(xiàn)由電遷移效應(yīng)引發(fā)的器件可靠性問(wèn)題。與AlCu合金材料（95% Al-5%Cu）相比，純銅材料由于具有更低的電阻、更好的抗應(yīng)力/抗電遷移等顯著優(yōu)點(diǎn)。銅被廣泛地應(yīng)用于0.13 μm以下的深亞微米后道互連工藝中。

然而，銅（或銅離子）易在介電層中擴(kuò)散，會(huì)對(duì)介電層產(chǎn)生污染，并且在相同條件下銅離子的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于原子的擴(kuò)散速率。銅（或銅離子）的擴(kuò)散對(duì)于器件的性能和介電質(zhì)的可靠性來(lái)說(shuō)是致命的，這種擴(kuò)散將會(huì)導(dǎo)致銅連線之間的電壓衰減，如圖1所示，有兩種可能的漏電通道。

因此在大馬士革銅互連制造工藝中，如何消除銅原子（離子）在介電層中的擴(kuò)散、在阻擋層和介質(zhì)層的界面上的擴(kuò)散都是銅互連工藝所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。在中國(guó)內(nèi)地的第一條后道銅互連生產(chǎn)線的芯片制造實(shí)踐中，我們遇到0.13 μm和0.09μm的產(chǎn)品在后道銅互連工藝中發(fā)生金屬層間介電質(zhì)漏電造成器件失效的問(wèn)題。我們針對(duì)圖1所示的兩種漏電方式的機(jī)理作了深入研究，在不增加新制程和工藝成本的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究，優(yōu)化了阻擋層（氮化硅）薄膜沉積工藝，解決了后道銅互連電壓衰減問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 大馬士革銅互連VBD失效機(jī)理

在0.13 μm以下的深亞微米制程中，大馬士革銅互連工藝采用氟硅玻璃作為介質(zhì)層形成對(duì)銅線的支撐與阻隔。沉積氟硅玻璃前，一層薄薄的氮化硅薄膜（約30nm～50nm）會(huì)被預(yù)先沉積在銅的表面。它充當(dāng)著阻止銅穿透介質(zhì)層的作用，在銅互連工藝整合中至關(guān)重要。雖然嵌入式銅互連得到極大的發(fā)展，但是從嵌入結(jié)構(gòu)的制程來(lái)看，現(xiàn)今大多用硅烷作為原材料來(lái)制備氮化硅。在化學(xué)機(jī)械拋光后，銅直接暴露在空氣中，極易被氧化生成氧化銅。如果在接下來(lái)的氮化硅沉積前，氧化銅沒(méi)有被去除干凈，在等離子的轟擊下，會(huì)產(chǎn)生以下兩種危害；第一，銅離子在介質(zhì)層中擴(kuò)散；第二，銅離子污染氮化硅和前一層電介質(zhì)的界面。這兩種情況都會(huì)造成銅連線之間的導(dǎo)通，引起器件失效。實(shí)驗(yàn)顯示，最高測(cè)試電壓為100V時(shí)候，有4片晶圓在測(cè)試電壓低于20V時(shí)，就發(fā)生失效的例子。

從微觀來(lái)看，銅連線加上電壓后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類(lèi)似于平行板電容器的電場(chǎng)（銅作為金屬板），如圖2所示。由于氮化硅的介電常數(shù)比金屬層間介電質(zhì)的介電常數(shù)大，所以圖1中1處的電場(chǎng)強(qiáng)度要大于2處。這時(shí)候，如果氮化硅沉積時(shí)，有銅離子存在于氮化硅和介質(zhì)層界面上、或者銅離子污染層間介電質(zhì)，則極易造成銅互連的失效，如圖3所示。研究表明，在氮化硅和層間介電質(zhì)的界面上存在的導(dǎo)電離子（大多是銅離子）是造成銅互連VBD失效的主要原因。這些銅離子產(chǎn)生在氨等離子體預(yù)處理以去除氧化銅的過(guò)程中，一些銅離子被等離子體轟擊到層間介電質(zhì)上，而在氮化硅預(yù)沉積前沒(méi)有被去除干凈；或者是在氮化硅預(yù)沉積過(guò)程，沒(méi)有很好地預(yù)防控制從NH3Treatment過(guò)渡到沉積步驟時(shí)，銅硅化物（Copper Silicidation）的形成，如圖4所示。

3 試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

我們選擇常見(jiàn)的5層銅連線的產(chǎn)品，在每一層的氮化硅沉積前，都會(huì)分成9個(gè)不同的子批，分別進(jìn)行9種不同工藝參數(shù)組合條件下的氮化硅沉積。在氮化硅預(yù)沉積這個(gè)步驟里，根據(jù)3種不同的硅烷流量、射頻率和預(yù)沉積的時(shí)間，具體如表1所示。這里仍然用大寫(xiě)的字母代替實(shí)際的參數(shù)設(shè)定值。

在第四層銅經(jīng)CMP后，我們收集了氮化硅薄膜沉積前在控片上沉積的氮化硅，然后量測(cè)厚度（THK）、折射率（REF）、薄膜的均勻度（uniformity）和應(yīng)力，如圖5所示。

從圖5可以看到改變Pre-dep的三個(gè)工藝參數(shù)（硅烷流量、RF功率和Pre-dep時(shí)間）不影響氮化硅薄膜的品質(zhì)。

當(dāng)所有的5層銅連線后和正常的產(chǎn)品一樣，經(jīng)過(guò)高溫退火，然后去測(cè)試這9片晶圓的VBD數(shù)值。圖6～圖8分別是硅烷流量、RF功率的大小和Pre-dep的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)于VBD的影響關(guān)系。

可以看出SiH4的流量F1，得到的VBD可達(dá)100V，并且此時(shí)得到的信躁比（S/N）最大。SiH4的流量是F3時(shí)，VBD不到80V。這說(shuō)明Pre-dep中的硅烷如果流量過(guò)大，有少量的硅烷沒(méi)有被等離子體分解，會(huì)和銅反應(yīng)生成銅的硅化物,可以說(shuō)Pre-dep步驟中，改變硅烷的流量對(duì)于VBD的影響很大。

（1）往來(lái)款項(xiàng)核算的變革。在目前實(shí)行會(huì)計(jì)制度的規(guī)定下，必須用收付實(shí)現(xiàn)制核算高校的資金往來(lái)。但是新的會(huì)計(jì)準(zhǔn)則下，高校資金往來(lái)必須以權(quán)責(zé)發(fā)生制為基礎(chǔ)進(jìn)行會(huì)計(jì)核算，高校在期末要對(duì)有關(guān)應(yīng)收款和預(yù)付款等進(jìn)行減值測(cè)試，采用賬齡分析法等對(duì)這些賬目進(jìn)行分析，對(duì)于可能發(fā)生減值的要計(jì)提壞賬準(zhǔn)備。對(duì)往來(lái)款項(xiàng)進(jìn)行管理，可以使得反映在賬面上的資產(chǎn)價(jià)值更加真實(shí)。

可以看出RF的功率G2，得到的VBD最好，并且此時(shí)得到的信躁比（S/N）最大。試驗(yàn)說(shuō)明，如果RF功率過(guò)大，會(huì)在反應(yīng)腔的showerhead孔洞里面發(fā)生micro-arcing，這也會(huì)造成VBD失效。

可以看出RF的功率H3，得到的VBD最好，并且此時(shí)得到的信躁比（S/N）最大，這說(shuō)明pre-dep時(shí)間H3足以保證在從NH3treatment過(guò)渡到Dep的過(guò)程中，沒(méi)有銅的硅化物生成。

綜合圖6～圖8的數(shù)據(jù)，利用田口直交實(shí)驗(yàn)法，可以得到表2。

根據(jù)表2，在Pre-dep這一步，最優(yōu)的氮化硅沉積的參數(shù)組合硅烷流量（F1）、RF功率（G2）和Predep時(shí)間（H3）。

4 硅烷流量過(guò)沖的研究

由大馬士革銅互連的分析可知，在氮化硅沉積過(guò)程中，如果硅烷的流量過(guò)大（任何的MFC都有過(guò)沖），則沒(méi)有被電離的硅烷，會(huì)在高溫下分解成SiH2會(huì)和銅反應(yīng)，生成銅的硅化物。圖10顯示出SiH4的流量瞬時(shí)過(guò)大造成的VBD失效。

由圖9看到整片晶圓上一共測(cè)試30處的VBD，最大值僅有44.46V。失效分析的TEM表明在氮化硅和層加電介質(zhì)的界面存在有銅的硅化物。

由此我們可以得出，在氮化硅的沉積過(guò)程中，由于機(jī)臺(tái)硬件的損壞，造成硅烷流量的過(guò)沖，也是導(dǎo)致VBD失效的一個(gè)原因。除了定期更換新的MFC或維修外，我們調(diào)整了氮化硅沉積的工藝參數(shù)，使機(jī)臺(tái)的軟硬件更好的工作。從而避免了這樣的過(guò)沖造成的VBD失效。

5 結(jié)論

綜合分析上面的三組實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為NH3Treatment和Pre-dep是造成VBD失效（層間介電質(zhì)沿著圖3中1處漏電）的主要原因。

首先，NH3Treatment的目的是去除CMP拋光后，暴露在空氣中形成的氧化銅。NH3在等離子體的作用下分結(jié)成化學(xué)活性很高的NH2-、H+、H等，其中氫將還原晶圓表面的氧化銅。

CuO+2H→Cu+H2O

一旦氧化銅被去除干凈，表面剩下的銅原子將直接面對(duì)等離子體的轟擊而得到能量，如果這種能量大到能夠使得銅原子脫離原本的結(jié)構(gòu)，那么銅原子就會(huì)被濺射到旁邊的FSG或反應(yīng)腔的其他區(qū)域（如showerhead），這也是氮化硅工藝中經(jīng)常會(huì)看到腔體內(nèi)氣體噴淋頭上有銅殘余的原因。但是總體來(lái)說(shuō)銅被濺射到FSG表面的幾率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濺射到showerhead去。這樣銅原子到達(dá)FSG表面后，由于它本身的活性，只要一點(diǎn)點(diǎn)的能量，就能造成銅原子在FSG表面擴(kuò)散。Cu被FSG區(qū)域性分離后，就像FSG中的F一樣被隔離起來(lái)，此時(shí)沒(méi)有較高的活性。但是隨著氮化硅沉積工藝第三步過(guò)程中硅烷的介入，銅將會(huì)形成銅的硅化物（Copper Silicidation），從而恢復(fù)活性，造成VBD失效。圖11所示為NH3Treatment時(shí)，晶圓表面局部的等離子體去除氧化銅的示意圖。

另一方面，我們可以?xún)?yōu)化Pre-dep的參數(shù)來(lái)防止從NH3treatment過(guò)渡到Dep過(guò)程中產(chǎn)生銅的硅化物。

到此，我們對(duì)氮化硅沉積優(yōu)化的組合是，在NH3Treatment步驟中RF功率（E1）和NH3Treatment的時(shí)間（D1），在Pre-dep步驟中硅烷流量（F1）、RF功率（G2）和Pre-dep時(shí)間（H3）。

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