張榮躋,劉建強

NDC工藝中不同預處理氣體對銅互連可靠性的影響

張榮躋1,劉建強2

1. 電信科學技術研究院, 北京 100191 2. 中芯國際集成電路制造有限公司, 北京 100176

隨著工藝節(jié)點的不斷縮小，銅互連線代替鋁互連線被廣泛使用，大馬士革工藝因為不需要刻蝕銅，所以銅金屬化應用大馬士革法處理。銅暴露在空氣中易被氧化，形成的氧化物會擴散到介質(zhì)層中，對層間介質(zhì)產(chǎn)生很大損害，并導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，被用作阻擋銅擴散的擴散阻擋層而淀積。首先，本文介紹了NDC介質(zhì)層的工藝流程，然后對比了不同等離子氣體進行預處理時對銅反射率、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等離子體預處理時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NDC介質(zhì)層有更少的損害。但是，NH3等離子體處理時在銅互連線間產(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）作為互連線來減少電阻從而獲得更高的芯片性能，雙大馬士革工藝因為不需要對Cu進行刻蝕,在實際生產(chǎn)中用來淀積Cu[1]。在Cu淀積之后，Cu會暴露在空氣中被氧化，形成的氧化物會在介質(zhì)層中迅速擴散，對層間介質(zhì)產(chǎn)生很大損害[1]，所以在實際生產(chǎn)中，需要一個擴散阻擋層來阻擋Cu的擴散[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，被用作阻擋銅擴散的擴散阻擋層而淀積。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可靠性。NDC介質(zhì)層同時提高了介質(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擴散至Cu中。另一方面，形成的氧化物會減少Cu和擴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和擴散阻擋層的分界面[3]。因此，當Cu和阻擋層間的結(jié)合力減弱時，泄露電流會顯著增加。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)應用的工藝，NDC介質(zhì)層在淀積前增加了等離子體預處理工藝步驟，來還原形成的Cu氧化物，增加Cu和阻擋層之間的結(jié)合力，進而減少泄露電流。NDC介質(zhì)層淀積時使用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的方法,淀積后會繼續(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處理氣體以及預處理條件對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）進行等離子體預處理，觀察記錄不同預處理氣體以及預處理條件下銅反射率，泄露電流，介質(zhì)層介電常數(shù)以及產(chǎn)生缺陷概率等，分析研究不同預處理氣體對銅互連線以及NDC介質(zhì)層產(chǎn)生的影響。

1 實驗

1.1 實驗原理

本實驗通過測量Cu反射率來評估Cu氧化物的還原效率，隨著Cu表面被氧化，Cu反射率會減少，計算等離子體處理前后的Cu反射率改變的百分比來評估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 實驗步驟

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

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預處理條件對Cu互連線可靠性的影響

2.1.1 Cu氧化物的移除通過AES進行全元素深度剖析發(fā)現(xiàn)，H2等離子處理時間為t時，O元素的含量迅速減少，隨著時間的增加，O元素濃度幾乎保持不變，說明Cu表面的氧化物已被移除；相反，NH3等離子處理時間為t時，O元素濃度較高，繼續(xù)增加NH3預處理時間，O元素濃度逐漸減少，Cu表面的氧化物逐漸移除，說明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]。通過計算Cu反射率改變百分比發(fā)現(xiàn)，如圖1所示，當處理時間較短時，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)生氧化還原反應速率更快。隨著NH3等離子體處理時間的增加，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會形成Cu-N化學鍵，導致Cu反射率下降。

圖 1 Cu反射率改變百分比隨預處理時間變化關系

圖 2 Cu互連線間泄露電流隨預處理時間變化關系

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處理時間變化關系，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等離子體處理時會形成Cu-N化學鍵，使Cu互連線和NDC介質(zhì)層分界面的結(jié)合力增強，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處理時間的增加而變化[5]。

2.2 不同預處理條件對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)層在淀積過程中也會暴露在等離子體環(huán)境下，等離子體對NDC介質(zhì)層會產(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不會繼續(xù)滲入到介質(zhì)層中，K值的增加達到飽和。

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，導致介質(zhì)層層被撕裂，應力在整個晶圓薄弱點被釋放，從而導致bubble defect的產(chǎn)生[7]，在實際生產(chǎn)中設法排除反應室中的NH3尤為重要，實驗分組如表1所示。結(jié)果得出，無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NDC工藝可靠性的提高有顯著意義。

表 1 氨氣等離子體預處理氣泡缺陷優(yōu)化實驗安排表

3 討論

本項研究驗證了不同氣體預處理對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NDC介質(zhì)層有更少的損害。但是，NH3等離子體處理時在銅互連線間產(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處理以及如何配比對Cu互連工藝可靠性的影響，對NDC介質(zhì)層預處理工藝步驟的還原效率及對半導體后段制程可靠性的提高有顯著意義。實驗中數(shù)據(jù)因一些原因已做歸一化處理，請大家諒解。

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體后段制程的重中之重。在目前的實際生產(chǎn)中，NDC介質(zhì)層常作為擴散阻擋層而淀積。本文通過研究不同氣體進行等離子體預處理時對銅反射率、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工藝中等離子體預處理工藝步驟，來減少對NDC介質(zhì)層以及Cu互連線的損害并通過優(yōu)化bubble defect產(chǎn)生概率來增加Cu互連工藝的可靠性。本文研究對半導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,主要研究方向為集成電路制造工藝. E-mail:15663592622@163.com