大马士革铜阻挡氮化硅薄膜沉积工艺优化研究.pdf

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1、第s 卷第2 期电子与封装总第5 8 期V o I 8 N o 2E L E C T R O N l C S&R C K A G I N G2 0 0 8 年2 月，：nr f、蕊、j r、，7 一，、厂?f 一一j，一煎，曳)(壬j：鬻“造；髟(疆，：I 靠，f、性J大马士革铜阻挡氮化硅薄膜沉积工艺优化研究邱振宇L 2，程秀兰1(1 上海交通大学微电子学院，上海2 0 0 0 3 0；2 阿尔卡特高真空技术上海有限公司。上海2 0 1 2 0 3)摘要：在铜大马士革(D a m a s c e n e)工艺中。为避免由于铜向F S G 中扩散所致电迁移的问题，需要在铜表面沉积一层氮化硅作为隔

2、离铜和随后的介电材料的直接接触，通常人们使用H D P c V D 来沉积该氮化硅层。但针对H D P C V D 沉积速率快和工艺设备成本高等问题，文中研究了一种优化了的P E C V D氮化硅沉积工艺采取代H D P _ c V D 氮化硅工艺。优化主要包含硬件改进和工艺参数调整。硬件改进主要通过引入锥形阴极盘面代替传统的直通形阴极盘面，以实现气体分子的更有效电离。在工艺参数上从R F功率、S i H 4 流量等方面也有所调整。优化后形成的氮化硅薄膜与H D P c V D 氮化硅薄膜性能非常接近，完全符合大马士革工艺的要求。同时氮化硅薄膜的沉积速率也有明显提高，工艺成本随之降低。关键词：

3、铜互连；氮化硅；P E C V D；H D P C V D；工艺优化中图分类号：T N 4 0 5 9 7文献标识码：A文章编号：1 6 8 l 1 0 7 0(2 0 0 8)0 2 0 0 2 9 一0 4R e s e a r c ho nP I?o c e s so p t i m i z a t i o no fC o p p e rD i f f h s i o nB a r r i e rL a y e r(S i N)i nC o p p e rD 岫l-D a m a 驰e 鹏1 K h n o l o 盯Q I U 刁圮n Y h l-，C 脏N G)(i u-L 御1(1

4、 S l l n 几g 砌f 肋D 砀馏踟f w 糟f|)，跏口n g 砌f2 0 0 0 3 0，劬f M；。2 A f 纪Z 坛c H“m 死幽加肠c D 巾D r 口“D n，L 叻，鼢增加f2 0 12 0 3，o 伽口)A b s t r a c t：S i n c ec o p p e ri nD a m a s c e n es t n l c t I l r ee a s i l yd i f f u S e si n 幻l o wKm a t e r i a l，w h i c hd e t e r i o r a t e st h ec t l a m c 谢s t i c

5、0 ft I l em 酏；r i a l 如dm i s et I l el e a k a g ec 峨n ta n dl e a d st 0t l l eb r e a l(d o、o ft 1 1 ed i e l e c t r i cl a y aS i Nl a y e r 雒c o p p e rd i f f u s i o nb a r r i e rl a y e ri sr e q u i 同b e t W e e nc 叩p e rl a y e r 觚dt l l ed i e l e c t r i cl a t e r U s u a l l y，m)P C

6、V D，w h i c hi sap r o c e s sw i ml o wd e p o s i t i o n 眦觚dt l i g he q u i p n l e n tc o s ti su s e dt od e p o s i tt h i ss i U c o nn i t r i d el a y 盯I I lo r d e rt 0d e c r e a 圮p 似：e s sc o s t 趴o p t i 血z e dP E C V Dp r o c e s so fs i l i c o nn i t r i d ed e p o s i t i o ni ss t

7、 t l d i e dt o 孔l l i e v eb e t t e rc o m b i n 撕o no fp e r f o r m 卸c e 锄de c o n o m yi nm 雒sp r o d u c t i o ni I It I l i sp a p e r T h e 叫面z a t i o ni n c l u d e sm o d i f i c a t i o no nb o t I lh 莉w a r e 柚dp r o c e s sp 猢e t e r s H 砌w a mr 琢D d i f i c a t i o ni st|I er e p l a

8、c e m e n to ft l l es t a n d a r dc a t h o d ef 缸e p l a t ew i lh o U o wc a t l l o d ef 缸印l a 晚w h i c ha d d St h ee f f i c i e n c yo f g 越I n o l e c u l ei o n 妇6 0 n T h em mp r o p e I t i e so fo p 血l i z e dP E C V Dr I i t r i d e 淝V e 哆c o l p a r a b I et 0 l a to f)P C V DI I i t

9、r i d e w h i c hw e Um e e tD 锄弱c e n ep r o c e s sr e q u h m e n t K e yw o r d s：c o p p e ri I l t e r c o n n e c t i o n；s i l i c o nr l i 廿i d e；P E C V D；H D P-C V D；p 嗽e s so p t i T T l i z a t i o n1前言对于大马士革铜工艺，氮化硅层通常会用作通孔(V i a)下面C u 层扩散或氧化阻挡层同时还用于后收稿日期：2 0 0 7 一0 8-2 8续通孔刻蚀的刻蚀终止层，它通常

10、采用高密度等离子化学气相沉积(H i g hD e n s i t yP l a s m aC h e m i c a lv a p o rD e p o s i t i 伽H D P C V D)的方法获得，这主要是由于与普通的等离子增强化学气相沉积(P l 签m aE 1 1 1 1 锄c c dC h e l i c a IV 却o rD c p o s i t i 伽，P E C V D)相比，H D P C V D2 9 万方数据第8 卷第2 期电子与封装氮化硅薄膜具有成膜致密、含氢杂质较少的优点，从而对铜的扩散和氧化具有更好的阻挡效果。但是，与P E C V D 氮化硅沉积工艺相比

11、，其薄膜沉积速度慢3 4倍，设备产能较低，即工艺成本较高；同时本身H D P C V D 的设备成本也较高。尽管P E C V D 氮化硅薄膜存在成膜密度较差、含氢量较高的缺点。基于此状，近年来，国内外不少研究机构和半导体制造企业纷纷投人人力和物力在铜工艺线中开展了能具有近似H D P C V D 氮化硅薄膜特性的P E C V D 氮化硅工艺的研究但J】。本文针对国内某大型半导体制造企业的需求，开展了基于大马士革铜工艺的P E C V D 氮化硅工艺的优化研究，希望通过优化常规的P E C V D 氮化硅薄膜沉积的工艺参数，提高氮化硅薄膜沉积速率，同时使其成膜质量更接近于H D P C V

12、D 氮化硅薄膜，最终提高设备产能，并降低工艺成本。2实验方法本文拟从m 气体扩散面板结构设计和薄膜沉积工艺参数(包括射频功率、N H 流量、沉积温度等)两方面人手来优化提高P E V D 成膜质量，并以现在标准的H D P-C V D 氮化硅阻挡层性能参数指标作为基准要求，从薄膜厚度、折射率、成份、致密度、对铜阻挡能力等方面来对唧D 氮化硅薄膜质量进行评估。P E C V D 工艺设备为舢订A T 公司的P 砌l c e r 而m)P-C v D 氮化硅沉积设备则选用朋儿盯I J l t i r 眦 玎)K V DC 即t I l m。为提高P E C V D 时N H 3 的电离率。本文采用

13、了一种向下开锥形气孔的面盘设计来取代传统的直通气孔设计(如图l 所示)，旨在通过加强N H，气体导入面板附件的等离子体强度来获得更有效率的N H，分子的电离，以使更多的N H，分子能直接被分解成较多的氮原子和氢原子团，进而在提高薄膜的密度情况下使之含有较少的氢成分。图IP E C v D 阴极N 地导人面板结构对于P E C V D 氮化硅薄膜沉积通常有五大工艺步骤稳定化一N H，预处理一氮化硅薄膜沉积一等离子体清除一清除残余气体工艺结束。其中最为关键的第三步的氮化硅薄膜沉积，本文通过调节这一步骤中的R F3 0 功率、S i H 4 流量和硅片上升高度(L i f tP o s i t i

14、o n)三个工艺参数衷优化所得氮化硅薄膜的性能。即拟同时增加R F 功率和s i H。，来增加薄膜沉积速率和折射率；同时通过提高R F 功率和降低阴极，阳极间距离(即提高硅片上升位置)，增强等离子体强度，强化N H，的充分电离，从而提高薄膜中的氮含量，降低H 含量。具体优化前后的关键工艺参数对比见表l。表1 优化前后的P E C V D 氮化硅薄膜沉积关键工艺参数工艺皴工蛩间喘靴片怒衄s 瓣本文所有样品均采用2 0 0 m mp 型(1 0 0)硅片，需先预P V D 沉积一层5 0 I I m 的C u，而后再分别采用H D P C v D、未优化的P B C v D、优化了的P B c V

15、 D 工艺进行氮化硅薄膜的沉积。氮化硅薄膜沉积后。所有样品均采用N a n o S p e c6 0 0 0 膜厚仪进行薄膜厚度与折射率的测量，进而分析沉积速率；而后再采用R I G A K U3 6 4 0F 兀R 对薄膜表面进行成份分析；采用、E R R(湿法相对刻蚀速率比厢氮化硅干法刻蚀测定法来对比分析薄膜的致密度。最后采用S I M S(二次离子质谱仪对优化P E C V D 氮化硅薄膜中C u 分布进行分析，进而分析其对C u 的阻挡效果。具体S M I S 薄膜叠层样品结构见图2，样品均需在4 1 0、3 0 山内经过6 次退火循环以便观察C u 的扩散情况。图2 氮化硅对铜原子迁

16、移的阻挡特性样品制备示意图3实验结果与分析所有样品测试数据汇总如表2，其中包括标准铜工艺固P C V D 氮化硅阻挡层性能参数基准值和优化前后P E C V D 氮化硅薄膜的相关性能参数。下面分别对工艺优化对这些性能参数影响进行分析讨论。万方数据第8 卷第2 期邱振宇程秀兰：大马士革铜阻挡氮化硅薄膜沉积工艺优化研究3 1 薄膜沉积速率及其均匀性的对比分析由表2 可知，优化前后的P E C V D 氮化硅沉积速率相当，只是略有升高，这可能归功于R F 功率和S i H 4 流量的增加。为5 哪。箩1 左右，约为H D P C V D 氮化硅工艺的两倍，说明P E C V D 确实能有效地提高氮化

17、硅薄膜的沉积速率提高设备产能。降低工艺成本。同时，优化后薄膜厚度均匀性仍 1 5，达到标准H D P V D 基准要求。3 2 薄膜成份的对比分析图3 为不同工艺条件下氮化物薄膜F T I R 谱对比。由图可知，与未优化唰D 氮化硅薄膜相比，优化后的P E C V D 薄膜中的S i H 键峰值强度明显要弱得多，相反H 主要以N H 键形式存在，在这点上与)K V D 的氮化硅的F 1 职谱线更为接近。由于N H 化学键的键能约为3 8 8 l(J 加o l，较S i H 键的3 1 8 l(J，m o l 要高。所以这种优化后的氮化硅薄膜可靠性和对铜的阻挡性均要优越一些。再则，优化P E C

18、 V D 氮化硅薄膜中的含H 量从优化前的1 9 6 a l(m 降至1 3 呶 m，更接近于H D P A 的9，这点能有效地提高薄膜的致密度和对铜的阻挡特性。另外通过F 1 限图谱分析。我们还可发现与未优化的相比。N S i 比约为1 2 5，高于未优化前的1 1 7，与H D P C、仍氮化硅的1 5 更为接近。这有利于其折射率的提高，以接近于阿)P C V D 氮化硅膜的光学特性。分析原因，这可能是由于N H，气体导入面板设计的优化，使N H，离解更为充分，有利于更多的N 与S i结合，从而降低了薄膜中H 的含量，进而提高了薄膜的致密度和折射率。另外增加R F 功率和降低阴极，阳极间距

19、离(即提高硅片上升位置)。也可适当增强等离子体强度，强化N H，的充分电离，从而提高薄膜中的氮含量，降低H 含量。3 3 氮化硅刻蚀速率对比分析湿法刻蚀速率比(w E R R)由1 0 0：l 稀释的氢氟酸溶液滴在样品表面一小时后测得。比较样品为热氧化法制作的氧化硅。结果显示优化后的P E c V D 氮化硅的W E R R 为0 6，比其他传统的P E C V D 氮化硅的w E R R低近2 倍。w E R R 数据和干刻蚀速率的双比结果是一致的，这主要是由于优化后的P E C V D 氮化物含H 量降低所致，即随着H 含量的降低，氮化硅中的S i H 悬挂键也随之减少，从而薄膜中的空洞也

20、相应减少，进而薄膜的致密度有所增加，而蚀性能就更为优越。4 0 0 03 5 3 0 2 5 2 0 0 01 5 0 01 0 0 05 0 0波数印一(a)未优化P E C V D 氮化硅4 m3 0(2 0(耵l O O O渡数，c m“(b)H D P c V D 氮化硅与优化P E C V D 氮化硅的对比图3 不同工艺条件下氮化物薄膜F 1 r I R 谱对比3 4 优化P E C V D 氮化硅薄膜对铜的扩散阻挡性能图4 是优化P E C V D 氮化硅薄膜叠层样品嘲的S M I S谱线图。由图可知。经过在4 1 0、3 0 m i n 内的6 次退火循环后C u 原子向S i

21、N 扩散迁移了约2 5 n m 的距离，并且完全终止在氮化硅薄膜内部，而并没有扩散3 1 万方数据第8 卷第2 期电子与封装到F S G 中，这一结果验证了大马士革氮化硅作为铜的阻障层具有良好的效果，从而使铜布线的可靠性有了保证。4结论图4 铜，氮化硅样品的S l M S 分析氮化硅薄膜作为铜阻挡层和介质刻蚀阳止层在大马士革铜工艺中有着重要作用。它通常采用成膜质量较高、但沉积速率较慢、工艺成本较高的H D P C V D 工艺沉积获得。对此。本文通过优化传统P E C V D 氮化硅工艺，研究获得了薄膜质量与H D P-C V D 氮化硅薄膜接近且沉积速率快的氮化硅薄膜，降低了大马士革铜工艺中

22、的氮化硅薄膜工艺成本。主要研究有：(1)在硬件设计上引入锥形阴极面盘来导人反应气体代替传统上直通孔设计，以提高N H，气体分子的电离进而降低薄膜中H 含量，提高薄膜致密度；(2)通过适当增加氮化硅薄膜沉积时的R F 功率和S i H。流量、降低阴极，阳极间距离，增强N H，的充分电离，从而提高薄膜中的氮含量，降低有H 含量，提高薄膜致密度和沉积速度；(3)5 0 n m 的优化P E C V D 氮化硅薄膜能有效阻止铜元素的扩散，保证铜布线的工作可靠性。参考文献：I】K，P a r s a d，x L I a n，C Y L i e ta I E V a I u a t i o no fD i

23、 f f u s j o nB a n 记rL a y e rj nC uI n t c r c 0 n n e c b【J J I E E EE l e c 咖D e v i c e，2 0 0 3，4 3(7)：3 7 3-3 7 6 2 J Y b t a，M J a n a n i，L E C a m i l l e t t i，e ta J C o m【p a r i s o nB e-脚e e nH D P C V Da n dP E _ A，DS i l i c o nN i t r i d ef o rA d v a I 赋dI n t e r c o n n e c tA p

24、 p l i c a t i o n sf J】I E E El I T C 2 0 0 0，2(I)：7 6 7 9 3 T u s u i，T 0“。H M j y a j i m a。e ta I I d e n t i f i c a t i o no fE l c c n D r n i g f a l i D o I l l i n 锄tD i f h J s i P a mf o rt 1 1 cC I ID 蛐-s c e n eI n t e；f c o n n e c t sa n dE f 董巳c to fP l a s 眦T r e a t t n e n ta n d

25、B a r r i e rD i e l e c t r i c s E l e c t r o I I l i g r a t i o nP e r f 0 1 胁卸c c【R】P h o e r I i 心I E E E4 2 n dA n n t l a lI n t e!n I a b a lR e l i 出l 时P I l y s i c sS y m p o s i 咖2 0 0|4 4】A I b e r t s L e e，A n n a m a l a iL a k s h m a n a n。N a g a r a j i a nR a j a g o p a l 锄，e

26、 ta 1 R e a l i b i l i t yo fD i e l e c t r i cB a r r i e 体i l lC o p-p e rD a m 硒c e n eA p p l i c a t i o n【R】S a n t aC I a r a C A，U S A I E E EI I l e m a j o n a JI n e 暑期e dR e J j a b i J i yW b r k s h o p，2 0 0 3，作者简介：邱振宇(1 9 7 6 一)男浙江湖州人。应用材料中国公司薄膜设备与工艺工程师。现任阿尔卡特高真空上海有限公司销售经理；程秀兰(197

27、卜)，女，重庆人，上海交通大学微电子学与固体电子学博士，上海交通大学微电子学院副教授，主要研究方向为先进半导体器件与工艺技术、先进封装结构设计与制造技术。吒、3、，q 斗、，干、欧胜增强型s o u n d w a r e 技术可提供更好的耳塞式耳机性能欧胜微电子近日宣布，A u d i o 1 抚I l I l i c a 已经为其最新的耳机系列Q u i e t P o i n tA 1 m A N c 3 选用了欧胜的全新主动噪音消除(A N C)技术。欧胜独创的A N C 技术可有效地降低环境噪音允许用户在噪音环境下欣赏音乐而无需将音量调至过大。与传统的A N C 解决方案相比。欧胜的

28、新技3 2 术可在一个更宽的频率范围内提供更大的噪音消除，从而可大幅改善紧凑型耳机的性能。A u d i 0 钕h l l i c a 的耳机是全球第一批采用欧胜独特A N C 技术的消费电子产品。欧胜在2 0 0 8 年1 月7 日到1 0 日拉斯维加斯举办的消费电子展上展示了Q u i e t P o i n t A T H-A N C 3 产品。(本刊通讯员)万方数据大马士革铜阻挡氮化硅薄膜沉积工艺优化研究大马士革铜阻挡氮化硅薄膜沉积工艺优化研究作者：邱振宇，程秀兰，QIU Zhen-Yu，CHENG Xiu-Lan作者单位：邱振宇,QIU Zhen-Yu(上海交通大学微电子学院,上海,

29、200030;阿尔卡特高真空技术上海有限公司,上海,201203)，程秀兰,CHENG Xiu-Lan(上海交通大学微电子学院,上海,200030)刊名：电子与封装英文刊名：ELECTRONICS&PACKAGING年，卷(期)：2008,8(2)参考文献(4条)参考文献(4条)1.K.Parsad;X.L.Yuan;C.Y.Li Evaluation of Diffusion Barrier Layer in Cu Interconnects 2003(07)2.J.Yota;M.Janani;L.E.Camilletti Comparison Between HDP-CVD and PEC

30、VD Silicon Nitride for AdvancedInterconnect,Applications 2000(01)3.T.Usui;T.Oki;H.Miyajima Identification of Electromigration Dominant Diffusion Path for the CuDamascene Interconnects and Effect of Plasma Treatment and Barrier Dielectrics on EiectromigrationPerformance外文会议 20044.Albert.S.Lee;Annamal

31、ai Lakshmanan;Nagarajian Rajagopalan Realibility of Dielectric Barriers inCopper Damascene Application 2003 本文读者也读过(5条)本文读者也读过(5条)1.陈维.韩清源.Robert Most.Carlo Waldfried.Orlando Escorcia.Ivan L.Berry 等离子体与氧杂碳化硅低介电常数隔离膜的相互作用期刊论文-电子工业专用设备2003,32(4)2.王增林.刘志鹃.姜洪艳.王秀文.新宫原 正三 化学镀技术在超大规模集成电路互连线制造过程的应用会议论文-200

32、63.王晓冬.吉元.李志国.夏洋.刘丹敏.肖强.WANG Xiao-dong.JI Yuan.LI Zhi-guo.XIA Yang.LIU Dan-min.XIAOWei-qiang 大马士革镶嵌结构对Cu膜微结构及应力的影响期刊论文-微电子学2007,38(1)4.唐瑜.郝跃.孟志琴.马晓华.Tang Yu.Hao Yue.Meng Zhiqin.Ma Xiaohua 等离子体对90nm工艺MOS器件的损伤期刊论文-半导体学报2007,28(1)5.王俊忠.吉元.王晓冬.刘志民.罗俊锋.李志国.Wang Jun-Zhong.Ji Yuan.Wang Xiao-Dong.Liu Zhi-Min.LuoJun-Feng.Li Zhi-Guo Al互连线和Cu互连线的显微结构期刊论文-物理学报2007,56(1)本文链接：http:/