Cu互连应力迁移温度特性研究

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

吴振宇1’2’’杨银堂1’柴常春1’李跃进1’汪家友1’刘静1’

　　1)(西安电子科技大学微电子学院，宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，西安710071)

　　2)(湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室，湘潭411105)

　　(2008年5月5日收到;2008年9月27日收到修改穑)

　　提出了一种基于扩散.蠕变机制的空洞生长模型，结合应力模拟计算和聚焦离子束分析技术研究了Cu互连应力诱生空洞失效现象，探讨了应力诱生空洞的形成机制并分析了空洞生长速率与温度、应力梯度和扩散路径的关系.研究结果表明，在CuM1互连顶端通孔拐角底部处应力和应力梯度达到极大值并观察到空洞出现.应力梯度是决定空洞成核位置及空洞生长速率的关键因素.应力迁移是空位在应力梯度作用下沿主导扩散路径进行的空位积聚与成核现象，应力梯度的作用与扩散作用随温度变化方向相反，并存在一个中值温度使得应力诱生空洞速率达到极大值.

　　关键词：Cu互连，应力迁移，应力诱生空洞，失效

　　PACC：6630，6570，6170Q

　　1.引言

　　随着集成电路向着高密度化和高性能化发展，电路特征尺寸不断缩小，互连层数不断上升.由于Cu的电阻率较低，抗电迁移和应力迁移的能力较强，且Cu互连双镶嵌制造工艺的兼容性好、成本低，cu互连已经替代Al互连成为新型主导互连技术.但新的cu互连材料和集成工艺也引发了新的互连可靠性问题¨_31.应力诱生空洞是Cu互连可靠性的重要现象之一.由于绝缘介质和Cu之间的热失配，在Cu电镀工艺后由于Cu晶粒的生长会在金属连线中产生热机械应力，在应力梯度的作用下，互连线中的空位扩散、成核并生长成空洞，从而引起互连电阻增大甚至造成互连线断裂o”引.应力迁移失效多发生在通孔和金属连线边缘等应力集中区域¨_1¨，与应力、应力梯度、互连结构、测试温度、金属/介质界面黏附性以及互连材料的微观结构密切相关¨2_1纠.由于超深亚微米Cu互连中的应力诱生空洞成核与生长过程难以监测，对应力和应力梯度的准确分析也极为困难，Cu互连应力迁移的物理机制至今尚不清楚，应力和应力梯度在应力诱生空洞的成核与空洞生长过程中的作用也不明确.

　　McPherson和Dunn【l刮根据实验提出了M—D经验模型，指出应力迁移中的应力项和扩散项随温度变化是矛盾的，存在一个中值温度使得应力诱生空洞的生长速率达到最大值.但该模型中应力项是由温度表示的，无法区分应力和应力梯度的作用.Ogawa等¨71提出了“活性扩散体”的概念，指出在互连尺寸、应力和应力梯度三者中，应力梯度起关键作用.但该模型也缺乏对应力梯度在应力迁移中所起作用的具体分析.本文通过研究分析不同失效测试温度下Cu互连(MI/通：fL/M2)的失效现象以及空洞生长速率与温度、应力、应力梯度、扩散路径的关系，提出一种Cu互连应力迁移的蠕变一扩散模型，模型模拟结果与实验值符合良好.

　　2.实验方法

　　采用90am双镶嵌Cu互连工艺制备了16个失效实验样品.图1给出了Cu互连样品的结构示意图.Cu互连样品双镶嵌制作工艺过程如下：(1)淀积第一层层间介质层(inter-metaldielectrics，简记为IMD)，包括50nm的SiN和800nm的Si02材料.IMDl淀积完成后由干法刻蚀形成M1沟槽.(2)以物理气相淀积方法制作约20nm厚的Ta阻挡层和120am厚的Cu种子层后用化学电镀(ECP)工艺制作互连线M1.(3)淀积50nm的SiN作为Ml覆盖层.IMD2为800amSiO，/50nmSIN/800nmSiO，，由化学气相淀积方法制作，其中SiN作为M2沟槽刻蚀停止层.制作通孔和M2沟槽.(4)以PVD方法制作约20nm厚的Ta阻挡层和120nm的Cu种子层，用ECP工艺制作互连线M2.其中，通孔直径为500nm，M1和M2互连线的宽度为800nm.为了方便讨论，将CuMI顶端/SiN界面记作VMI界面，该界面的中线记作VML;将CuM2顶端/SiN界面记作VM2界面;将VML上CuMI端点记作横向菇轴原点;将VML上通孔拐角处的两个位置分别记作VMPl和VMP2.

　　将实验样品用丙酮超声清洗后密封在石英管中，真空度约为1×10一Pa.分别在100，150，200和250℃温度下烘烤样品700h，温度稳定性优于±1℃.将样品浸没在HF酸中约3min以去除过厚的氧化层，并用FEI201型聚焦离子束(Foucused.IonBeam，FIB)分析仪观察了互连中的失效情况.测试条件如下：柬流电压为30kV，电流为5—16pA，观察倾斜角为350一50。.将测量所得的空洞尺寸与烘烤时间相除得到平均空洞生长速率

　　3.结果与讨论

　　图2给出了不同温度下cu互连样品应力诱生空洞失效FIB横截面典型分析结果.从图2可以看出，在通孔底部Ml互连中均出现应力诱生空洞.空洞多位于在通孔两侧VMPl和VMP2位置，同时倾向于横向生长并可能合并后贯通整个通孔底部.

　　试验温度为100，150，200和250℃时Cu互连空洞尺寸分别约为7.15×10～弘m3，9.80X10一ttm3，1.04×10～"m3和7.28X10～ttm3，与试验时间相除得出空洞平均生长速率分别约为1.02×104nm3/h，1.40×104nm3/h。1.48×104am3/h和1.04×10'nm3/h.

　　由此可见，应力诱生空洞的生长速率随温度的增大先升后降.互连介质通常具有较小的热膨胀系数，当集成电路从较高的制造工艺温度降低到室温时，会在互连中产生热机械张应力.在应力梯度的作用下，互连中的多余空位积聚成核并最终形成空洞.由于空位的扩散系数随温度的增加而上升，同时应力随温度的下降而上升，因此存在一个中值温度使得应力诱生空洞的生长速率达到极大值.当温度低于该中值温度时，空位扩散能力急剧下降;当温度高于该中值温度，张应力减小并可能向压应力转变.两种情况均导致空洞生长速率下降.图3给出了不同温度下空洞生长速率的变化情况.从图3可以看出，空洞生长速率在180℃左右达到峰值.由M.D经验公式

　　4.结论

　　本文研究了Cu互连应力诱生空洞失效现象及其物理机制并建立了一种基于扩散一蠕变机制的空洞生长模型.结果表明，在CuM1互连顶端通孔拐角底部处应力和应力梯度达到极大值并观察到空洞出现.应力梯度是决定空洞成核位置及空洞生长速率的关键条件.应力迁移是空位在应力梯度作用下沿主导扩散路径进行的空位积聚与成核现象，应力梯度的作用与扩散作用随温度变化方向相反，并存在一个中值温度使应力诱生空洞速率达到极大值.

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