通孔微結(jié)構(gòu)對Cu/低-k應(yīng)力誘生空洞的影響*

林曉玲 侯通賢 章曉文 姚若河

(1.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院微電子研究所，廣東廣州510640; 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，Cu大馬士革工藝已成為重要且關(guān)鍵的后端線(BEOL)金屬化工藝，但新的Cu互連材料和集成工藝也引發(fā)了一系列新的互連可靠性問題.在工藝發(fā)展和晶圓制造過程中，電遷移、金屬層間與時(shí)間有關(guān)的層間介質(zhì)擊穿和應(yīng)力誘生空洞(SIV)成為影響Cu互連可靠性的主要因素.相比于其它BEOL可靠性項(xiàng)目，與SIV相關(guān)的失效——Cu通孔內(nèi)部或通孔底部下面互連的空洞，是跟熱應(yīng)力有關(guān)的失效模式，它會(huì)導(dǎo)致高電阻甚至電路功能失效.文獻(xiàn)［1］中提出了活性擴(kuò)散體的概念，指出Cu互連SIV與互連尺寸、應(yīng)力和應(yīng)力梯度有關(guān).文獻(xiàn)［2］中指出寬厚比為1的互連結(jié)構(gòu)具有最大的靜水應(yīng)力.文獻(xiàn)［3］中指出當(dāng)通孔與底部相連接的互連為寬互連時(shí)，常在通孔底部互連產(chǎn)生SIV.

互連通孔和通孔阻擋層形成工藝的波動(dòng)性將影響互連通孔結(jié)構(gòu)的尺寸，由此帶來的通孔微結(jié)構(gòu)效應(yīng)對互連通孔和通孔底部互連SIV的影響需要被更好地理解.文中研究互連通孔和通孔阻擋層形成的工藝波動(dòng)性對Cu/低-k互連通孔微結(jié)構(gòu)的影響，基于Cu的隨動(dòng)強(qiáng)化模型［4］，使用有限元分析(FEA)方法，模擬分析通孔微結(jié)構(gòu)效應(yīng)對互連通孔和通孔底部互連金屬中的熱應(yīng)力分布，分析了不同應(yīng)力級別與SIV強(qiáng)度之間的關(guān)系，探討了不同BEOL通孔微結(jié)構(gòu)對Cu/低-k互連SIV的影響.

1 通孔微結(jié)構(gòu)依賴性的模擬模型

典型互連SIV測試中，通常采用高溫應(yīng)力作為檢測SIV失效和鑒別薄弱工藝的主要方法.SIV導(dǎo)致通孔和Cu互連電阻升高，通孔底部的SIV甚至導(dǎo)致電路斷開［5］.

為了分析通孔微結(jié)構(gòu)效應(yīng)對互連應(yīng)力特性的影響，建立包括鈍化層的雙層Cu/低-k互連3D有限元分析(FEA)模型結(jié)構(gòu)，如圖1所示.基于65 nm Cu互連工藝，模型開始于500μm厚的Si襯底和380nm高的SiO2.x、y和z軸分別定義了互連線的長度、高度和寬度方向.具有互連線M1(底層金屬)和互連線M2(上層金屬)的Cu雙大馬士革結(jié)構(gòu)嵌入于模型中，互連金屬高度為380nm.20nm厚的Ta被用作Cu和介質(zhì)之間的擴(kuò)散阻擋層.圓柱體互連通孔直徑為180 nm.模型還包含了20 nm厚的蝕刻停止層(ESL).根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，通孔底部的SIV失效模式跟M2的尺寸有關(guān)［2］，通孔底部互連線的SIV失效模式跟M1的尺寸有關(guān)［1，3］，因此，為了研究通孔微結(jié)構(gòu)效應(yīng)對通孔和底部互連SIV可靠性的影響，M1和M2的長度都設(shè)置為10 μm.在模型中，除Cu以外的所有材料按各向同性和均勻的線性彈性材料處理，而Cu按各向同性的彈性－塑性材料處理，其后屈服行為符合隨動(dòng)強(qiáng)化模型，線性強(qiáng)化率H為77GPa［6］.模擬的零應(yīng)力溫度和溫度分別設(shè)置為350和175℃［1］.通孔底部及其周圍和通孔底部互連線M1及其周圍用均勻尺寸單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.模擬計(jì)算結(jié)果的收斂性通過不同的網(wǎng)格細(xì)化達(dá)到.由于結(jié)構(gòu)的對稱性，用于數(shù)值計(jì)算的模型為整個(gè)模型的一半，對稱面為xy平面.模型中所用材料的性能列于表1［7］，其中E為楊氏模量，ν為泊松比，α為熱膨脹系數(shù)，σy為屈服強(qiáng)度.

圖1 SIV模擬有限元分析模型Fig.1 FEA model for SIV simulation

表1 模型中所用材料的特性參數(shù)Table 1 Property parameters of materials used in the numerical modeling

為了研究通孔微結(jié)構(gòu)對互連通孔和通孔底部互連SIV的影響，4種情景被用于FEA模擬，如圖2所示.圖2(a)示出了通孔高度為380 nm、通孔底部阻擋層厚度為20 nm和無通孔溝槽的參考標(biāo)準(zhǔn)微結(jié)構(gòu).圖2(b)為因電介質(zhì)薄膜沉積工藝波動(dòng)造成的通孔高度變化.在現(xiàn)有的Cu互連工藝中，因受到通孔過刻蝕和通孔底部Ar離子濺射清洗工藝的影響，底部互連不可避免地產(chǎn)生一定程度的通孔溝槽，圖2 (c)為因過刻蝕和通孔底部Ar離子濺射清洗工藝波動(dòng)造成的通孔溝槽深度變化.在沉積Cu互連阻擋層時(shí)，為了提高通孔阻擋層的質(zhì)量，沉積完后需要進(jìn)行通孔阻擋層的回流再濺射.圖2(d)為因通孔阻擋層回流再濺射工藝波動(dòng)造成的通孔底部阻擋層厚度變化.

圖2 通孔微結(jié)構(gòu)變化對通孔底部和通孔底部互連SIV的影響Fig.2 Effects of via microstructure variation on interconnected via and bottom interconnection SIV

實(shí)驗(yàn)證明，互連經(jīng)歷熱烘烤時(shí)，通孔SIV跟y軸應(yīng)力直接相關(guān)［8］.互連中的靜水應(yīng)力［9］定義為σH= (σxx+σyy+σzz)/3，其中σxx、σyy和σzz分別為x、y、z軸正應(yīng)力，應(yīng)力的直接釋放是底部互連空洞形成和生長的主要驅(qū)動(dòng)力［1，3，5］;互連中的等效塑性應(yīng)變(von Mises有效塑性應(yīng)變)表明，塑性誘生晶體缺陷(位錯(cuò)和空位)形成的趨勢，會(huì)潛在地促進(jìn)空洞的形成和長大、局域脫粘和隨后的電遷移危害［10-12］.因此，模擬之后，分別使用通孔底部的最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連M1的最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變來評價(jià)通孔微結(jié)構(gòu)對 Cu/低-k互連 SIV的影響.

2 結(jié)果和討論

通孔微結(jié)構(gòu)效應(yīng)歸為與層間介質(zhì)薄膜沉積相關(guān)的通孔高度變化、與通孔過刻蝕和離子清洗工藝波動(dòng)相關(guān)的通孔溝槽深度變化、與通孔阻擋層回流再濺射相關(guān)的通孔底部阻擋層厚度變化.

圖3給出了與層間介質(zhì)薄膜沉積相關(guān)的通孔高度變化對通孔底部最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變的影響.對于本模型結(jié)構(gòu)，在通孔寬度不變的情況下，當(dāng)通孔高度高于參考標(biāo)準(zhǔn)高度(0.38 μm)時(shí)，隨著通孔高度的增加，通孔底部的最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連的最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變不斷變大.通孔底部最大y軸應(yīng)力的相對增幅尤其明顯(30.3% ～179.1%)，而通孔底部互連的最大靜水應(yīng)力相對增幅(22.8%～30.4%)和最大等效塑性應(yīng)變相對增幅(9.9%～19.2%)較小.當(dāng)通孔高度低于參考標(biāo)準(zhǔn)高度時(shí)，通孔高度的減少對通孔底部的最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連的最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變只有輕微的影響.綜上所述，因?qū)娱g介質(zhì)薄膜沉積工藝波動(dòng)造成通孔高度的變化，會(huì)對Cu/低-k互連SIV產(chǎn)生如下影響:當(dāng)通孔高度變化造成通孔高寬比大于參考標(biāo)準(zhǔn)高寬比時(shí)，會(huì)對Cu/低-k通孔和底部互連的SIV產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，對互連通孔SIV的影響尤其突出，通孔內(nèi)部出現(xiàn)空洞形核和生長的幾率都增加.當(dāng)通孔高度變化造成通孔高寬比小于參考標(biāo)準(zhǔn)高寬比時(shí)，對通孔和底部互連的SIV影響可控制在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi).這也從另一個(gè)角度說明高寬比小的互連通孔結(jié)構(gòu)比高寬比大的互連通孔結(jié)構(gòu)具有更好的SIV可靠性.

圖4給出了不同通孔溝槽深度變化對通孔底部最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變的影響.通孔溝槽的存在減小了通孔底部的最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連的最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變，減小的相對幅度分別為43.5%～172.8%，48.5%～79.3%和10.7% ～64.3%.結(jié)果表明，通孔溝槽的存在可以提高Cu/低-k互連通孔和通孔底部互連的SIV可靠性.但隨著通孔溝槽的加深，通孔底部的最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連的最大靜水應(yīng)力先減小后增加，說明通孔溝槽并不是越深越好.所以，通孔溝槽有助于提高互連SIV可靠性，但為了最優(yōu)化，需控制過刻蝕和通孔離子濺射清洗工藝波動(dòng)造成的通孔溝槽深度變化幅度.

圖3 通孔高度對通孔底部最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連M1最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變的影響Fig.3 Effects of via height on the maximum y-axis stress at via bottom，as well as the maximun hydrostatic stress and equivalent plastic strain in M1

圖4 通孔溝槽深度對通孔底部最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連M1最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變的影響Fig.4 Effects of via gouging depth on the maximum y-axis stress at via bottom，as well as the maximum hydrostatic stress and equivalent plastic strain in M

圖5給出了Cu互連通孔底部阻擋層厚度變化對最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連的最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變的影響.通孔底部阻擋層厚度對互連應(yīng)力特性的影響并不像前面兩種通孔微結(jié)構(gòu)那樣具有一致性.對于通孔底部最大的y軸應(yīng)力，較薄的互連通孔底部阻擋層厚度具有較小的最大y軸應(yīng)力值，而隨著通孔底部阻擋層厚度的增加，最大y軸應(yīng)力先增加后稍微下降(如圖5(a)所示).對于通孔底部互連的最大靜水應(yīng)力，較薄的互連通孔底部阻擋層厚度具有較大的靜水應(yīng)力值，而隨著通孔底部阻擋層厚度的增加，最大靜水應(yīng)力先減小后稍微增大(如圖5(b)所示).通孔底部阻擋層對互連最大塑性應(yīng)變值的影響并不是很大，隨著通孔底部阻擋層厚度的增加，通孔底部互連的最大等效塑性應(yīng)變值只是輕微的減小(如圖5(c)所示).綜上所述，互連通孔底部阻擋層厚度變化對互連通孔SIV性能和通孔底部互連SIV性能的影響具有矛盾性，需要折中考慮.如果單純?yōu)榱颂岣咄椎腟IV可靠性，那么通孔底部阻擋層厚度就需控制在較薄的范圍，但它會(huì)使通孔底部互連中具有較大的靜水應(yīng)力;相反，如果單純考慮通孔底部互連的SIV性能，那么通孔底部阻擋層厚度需控制在較厚范圍，但它會(huì)使通孔底部具有較大的y軸應(yīng)力.

圖5 通孔底部阻擋層厚度對最大y軸應(yīng)力、通孔底部互連M1的最大靜水應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變的影響Fig.5 Effects of barrier layer thickness in via bottom on the maximum y-axis stress at via bottom，as well as the maximum hydrostatic stress and equivalent plastic strain in M1

3 結(jié)語

文中采用有限元分析方法模擬了互連通孔和通孔阻擋層形成工藝波動(dòng)引起的通孔微結(jié)構(gòu)效應(yīng)對Cu/低-k互連SIV性能的影響.結(jié)果表明，對于通孔高度的變化，SIV對大高寬比的通孔結(jié)構(gòu)很敏感，高寬比小的互連通孔結(jié)構(gòu)比高寬比大的互連通孔結(jié)構(gòu)具有更好的SIV可靠性.通孔溝槽可以有效提高互連SIV可靠性，但需要控制過刻蝕和通孔離子濺射清洗工藝波動(dòng)造成的通孔溝槽深度變化幅度.通孔底部阻擋層厚度對互連SIV的性能具有矛盾性，需要折中考慮.文中從工藝波動(dòng)性的角度，研究了通孔微結(jié)構(gòu)對Cu/低-k互連SIV特性的影響，為評價(jià)互連靠性提供了很好的參考.

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