等離子體基銅蝕刻工藝及可靠性

引言

近年來(lái)，銅(Cu)作為互連材料越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗哂械?a target="_blank">電阻率、不會(huì)形成小丘以及對(duì)電遷移(EM)故障的高抵抗力。傳統(tǒng)上，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法用于制備銅細(xì)線。除了復(fù)雜的工藝步驟之外，該方法的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是需要許多對(duì)環(huán)境不友好的化學(xué)品，例如表面活性劑和強(qiáng)氧化劑。

隨著器件的特征尺寸不斷縮小，對(duì)Cu互連線的質(zhì)量、可靠性和形態(tài)的要求變得至關(guān)重要。例如，如果線的幾何形狀不均勻，通過(guò)它的電流將在頸縮區(qū)域附近擁擠，這縮短了EM壽命。此外，在沉積和蝕刻步驟期間形成的缺陷會(huì)導(dǎo)致線電阻率的增加，這違背了使用低電阻率Cu互連。當(dāng)承載高電流密度時(shí)，高通量電子可以拉動(dòng)Cu原子，這導(dǎo)致空隙形成并導(dǎo)致線的擊穿。本文研究了濺射沉積條件對(duì)薄膜性能的影響。英思特使用EM測(cè)試方法檢測(cè)由基于等離子體的蝕刻工藝制備的不同寬度的Cu線的壽命。

實(shí)驗(yàn)與討論

銅膜的晶粒尺寸對(duì)其導(dǎo)電性和等離子體消耗速率至關(guān)重要。圖1顯示了壓力對(duì)沉積在(a) 50W，所有的薄膜都包含(111)主峰和(200)次峰。這(220)峰僅在3毫托的低壓沉積條件下可見(jiàn)。在相同的沉積功率下，峰高隨著氣壓的增加而降低。Cu膜的晶粒尺寸預(yù)計(jì)會(huì)隨著濺射功率的增加而增加。圖1(d)顯示了壓力和功率對(duì)晶粒尺寸的影響。在90W下沉積的膜的晶粒尺寸大于在70W下沉積的。這可以通過(guò)在高濺射功率沉積條件下Cu吸附原子的較高表面能和遷移率來(lái)解釋。

圖1：銅膜沉積量

此外，在高壓下，晶粒尺寸差異的功率影響減小。濺射的銅自由基、原子等的短平均自由程，在高壓下可能降低到達(dá)襯底表面的粒子的能量，并因此降低晶粒生長(zhǎng)機(jī)制。

圖2顯示了在各種濺射功率下作為壓力函數(shù)的銅電阻率。從用等離子體工藝蝕刻的Cu線結(jié)合線寬、厚度和長(zhǎng)度計(jì)算電阻率。在低氣壓和高功率條件下獲得了低電阻率的銅薄膜。在高壓條件下，由功率差引起的電阻率差異變得更加明顯。由于在高壓下，晶粒尺寸幾乎不受壓力的影響，電阻率必須由其它因素決定。當(dāng)薄膜含有較少的缺陷時(shí)，由于干擾較少，電子可以更快地穿過(guò)薄膜。

圖2：不同功率下銅電阻率與沉積壓力的關(guān)系

銅消耗率的差異可以用等離子體相化學(xué)和離子轟擊能量的變化來(lái)解釋。隨著壓力的增加，陰極自偏壓-VDC，即離子轟擊能量降低。同時(shí)，導(dǎo)致CuClx形成的自由基或離子的濃度可根據(jù)進(jìn)料氣流的組成而增加或減少。

結(jié)論

總之，英思特研究了濺射功率和壓強(qiáng)對(duì)銅膜結(jié)晶度和電阻率的影響。隨著功率的增加和壓力的降低，晶粒尺寸增大。高功率有利于低電阻率。對(duì)于等離子體-銅反應(yīng)，Ar或CF4的添加增加了高壓或高功率條件下的反應(yīng)速率。

在低壓或低功率條件下，等離子體化學(xué)可能在反應(yīng)速率中起重要作用。蝕刻的Cu線具有遵循晶界結(jié)構(gòu)的邊緣形狀。電遷移測(cè)試表明，隨著銅線寬的減小，銅線斷裂的時(shí)間減少，這可能是由于邊緣形狀效應(yīng)的增加。

審核編輯 黃宇