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铜互连扩散阻挡层工艺优化

傅晓娟 赵毅强 刘峻 宋凯悦

傅晓娟, 赵毅强, 刘峻, 等 . 铜互连扩散阻挡层工艺优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(8): 1514-1520. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0493
引用本文: 傅晓娟, 赵毅强, 刘峻, 等 . 铜互连扩散阻挡层工艺优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(8): 1514-1520. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0493
FU Xiaojuan, ZHAO Yiqiang, LIU Jun, et al. Optimization of diffusion barrier process on copper interconnection[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(8): 1514-1520. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0493(in Chinese)
Citation: FU Xiaojuan, ZHAO Yiqiang, LIU Jun, et al. Optimization of diffusion barrier process on copper interconnection[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(8): 1514-1520. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0493(in Chinese)

铜互连扩散阻挡层工艺优化

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0493
详细信息
    作者简介:

    傅晓娟  女,硕士研究生。主要研究方向:半导体器件工艺

    赵毅强  男,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:集成电路设计,半导体传感器(压力、光电)与MEMS研究及其集成系统设计,VLSI测试、可测性设计与可靠性研究

    通讯作者:

    赵毅强, E-mail:yq_zhao@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TN305.4

Optimization of diffusion barrier process on copper interconnection

More Information
  • 摘要:

    针对金属线间击穿电压小、可靠性差的问题,对铜扩散阻挡层(包括钽阻挡层厚度和氮化硅阻挡层薄膜质量)进行研究优化。使用自对准双重图形(SADP)方法能够使金属互连线的特征尺寸缩小,使得互连线扩散阻挡层的厚度期望降低。通过制备不同厚度的钽阻挡层对金属互连体系电阻和击穿电压做详细对比分析,发现硬质的钽金属对化学机械研磨(CMP)产生影响,导致互连体系电阻和击穿电压随着钽阻挡层厚度减小而增加,过薄的阻挡层会导致阻挡性能降低、整体晶圆均一性变差;铜线界面上存在的氧元素极大地降低了氮化硅的黏附性,影响阻挡层性能。在氨气预处理阶段通入不同流量的氨气,在预沉积阶段改变预沉积时间,增加过渡阶段,通过实验分析氮化硅的黏附性,结果证明:氨气流量的增加、预沉积时间的减少、过渡阶段的增加能提高氮化硅的黏附性,改善了薄膜阻挡能力。

     

  • 图 1  SADP工艺简化流程

    Figure 1.  Simplified process of SADP

    图 2  不同钽阻挡层厚度互连体系电阻和击穿电压累积分布

    Figure 2.  Resistance of interconnect systems and breakdown voltage accumulation distribution with different Ta thickness

    图 3  铜金属线TEM示意图及其铜元素分析图

    Figure 3.  TEM of copper wire and copper element analysis

    图 4  S1电阻及击穿电压分布趋势

    Figure 4.  Resistance distribution trend and VBD distribution trend of S1

    图 5  击穿电压测试方法

    Figure 5.  Test method of VBD

    图 6  六片晶圆中心与边界位置附着力对比

    Figure 6.  Center adhesion contrast with edge adhesion of six wafers

    表  1  AMAT BMK手册中的氮化硅沉积程式

    Table  1.   Recipe of silicon nitride in AMAT BMK's handbook

    参数 气压稳定阶段 氨气预处理阶段 预沉积阶段 主沉积阶段 气体抽离阶段
    反应腔 全部 全部 全部 全部 全部
    结束控制 时间截至 时间截至 时间截至 时间截至 时间截至
    最大反应时间/s 7 15 3 待定 10
    结束点选择
    气压/torr 4.2 4.2 4.2 4.2 TF0°
    高频射频功率/W 0 150 440 440 0
    加热器温度/℃ 350 350 350 350 350
    加热器温度预设/mW 0 0 0 0 0
    加热器高度/mil 350 350 490 490 升起
    气体名称 NH3 NH3 SiH4 SiH4 SiH4
    气体流量/sccm 75 75 75 205 -2e
    气体名称 N2 N2 NH3 NH3 NH3
    气体流量/sccm 5 000 5 000 65 65 -2e
    气体名称 N2 N2 N2
    气体流量/sccm 5 000 5 000 -2e
    注:sccm为标准公升每分钟流量值; torr为压力单位,l torr=1.333 22×102 Pa; mil为体积单位, 1 mil=10-3 L。
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    表  2  六片晶圆实验配置

    Table  2.   Experimental configuration of six wafers

    晶圆编号 气压稳定阶段 氨气预处理阶段 预沉积阶段 增加过渡阶段 总时间/s
    NH3流量/sccm 时间/s NH3流量/sccm 时间/s 加热器高度/mil NH3流量/sccm 时间/s 加热器高度/mil NH3流量/sccm 时间/s 加热器高度/mil
    S4 f2 A f2 t2+2 H1 f2 t1 H1 t+A
    S5 f2 A f2 t2+2 H1 f3 t1 H1 t+A
    S6 f1 A f1 t2 H1 f1 t1+1 H1 f1 t1 H2 t+A+1
    S7 f2 A f2 t2 H1 f2 t1+1 H1 f2 t1 H2 t+A+1
    S8 f2 A f2 t2 H1 f2 t1 H1 f3 t1 H2 t+A
    S9 f1 A 氨气预处理和预沉积合并 f1 t H2 t+A
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-10
  • 录用日期:  2019-10-11
  • 刊出日期:  2020-08-20

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