NDC工艺中不同预处理气体对铜互连可靠性的影响

张荣跻,刘建强

NDC工艺中不同预处理气体对铜互连可靠性的影响

张荣跻1,刘建强2

1. 电信科学技术研究院, 北京 100191 2. 中芯国际集成电路制造有限公司, 北京 100176

随着工艺节点的不断缩小，铜互连线代替铝互连线被广泛使用，大马士革工艺因为不需要刻蚀铜，所以铜金属化应用大马士革法处理。铜暴露在空气中易被氧化，形成的氧化物会扩散到介质层中，对层间介质产生很大损害，并导致互连线间的泄露电流增大。氮掺杂碳化硅（NDC）介质层是一种含氮（N）、硅（Si）、氢（H）、碳（C）四种元素的薄膜，被用作阻挡铜扩散的扩散阻挡层而淀积。首先，本文介绍了NDC介质层的工艺流程，然后对比了不同等离子气体进行预处理时对铜反射率、铜互连线间泄露电流、介质层介电常数、介质层产生缺陷的概率等一系列的影响，最后优化工艺，减少了NH3等离子体预处理时NDC介质层产生气泡缺陷的概率。结果显示H2等离子处理比NH3等离子处理有更好的氧化物排除效率，对NDC介质层有更少的损害。但是，NH3等离子体处理时在铜互连线间产生更少的泄露电流，使铜互连线有更高的可靠性。

NDC介质层; 气体; 铜互连

随着芯片尺寸的不断缩小，铜（Cu）代替铝（Al）作为互连线来减少电阻从而获得更高的芯片性能，双大马士革工艺因为不需要对Cu进行刻蚀,在实际生产中用来淀积Cu[1]。在Cu淀积之后，Cu会暴露在空气中被氧化，形成的氧化物会在介质层中迅速扩散，对层间介质产生很大损害[1]，所以在实际生产中，需要一个扩散阻挡层来阻挡Cu的扩散[2]。氮掺杂碳化硅（NDC）是一种含氮（N）、硅（Si)、氢（H）、碳（C）四种元素的薄膜，被用作阻挡铜扩散的扩散阻挡层而淀积。NDC介质层是和Cu临界的介质层，它保持了较低的介电常数（K），并且不含Cu和O元素，从而确保了良好的电学可靠性。NDC介质层同时提高了介质层的刻蚀选择性，密封性较好，阻挡了外界的潮湿和氧元素扩散至Cu中。另一方面，形成的氧化物会减少Cu和扩散阻挡层之间的支持力，由于Cu互连线间的主要泄露电流路径沿着Cu和扩散阻挡层的分界面[3]。因此，当Cu和阻挡层间的结合力减弱时，泄露电流会显著增加。随着器件尺寸的缩小，即使很小的电流也可能造成互连线间的击穿。所以，作为现在大规模投入生产应用的工艺，NDC介质层在淀积前增加了等离子体预处理工艺步骤，来还原形成的Cu氧化物，增加Cu和阻挡层之间的结合力，进而减少泄露电流。NDC介质层淀积时使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法,淀积后会继续使用等离子体后处理去除晶圆表面的微尘粒子（Particle），为了探究不同等离子体预处理气体以及预处理条件对Cu互连工艺可靠性的影响，我们选择在相同前置工艺条件下，分别通入氨气（NH3）和氢气（H2）进行等离子体预处理，观察记录不同预处理气体以及预处理条件下铜反射率，泄露电流，介质层介电常数以及产生缺陷概率等，分析研究不同预处理气体对铜互连线以及NDC介质层产生的影响。

1 实验

1.1 实验原理

本实验通过测量Cu反射率来评估Cu氧化物的还原效率，随着Cu表面被氧化，Cu反射率会减少，计算等离子体处理前后的Cu反射率改变的百分比来评估Cu氧化物的还原效率，改变的百分比越大，代表还原效率越高。

1.2 实验步骤

通过俄歇电子能谱（AES）进行深度剖析Cu表面氧元素的含量变化，介质层的介电常数变化通过量测电学厚度（Tox）完成，NDC介质层的bubble defect通过扫描式电子显微镜（SEM）观察。

2 结果与分析

2.1 不同预处理条件对Cu互连线可靠性的影响

2.1.1 Cu氧化物的移除通过AES进行全元素深度剖析发现，H2等离子处理时间为t时，O元素的含量迅速减少，随着时间的增加，O元素浓度几乎保持不变，说明Cu表面的氧化物已被移除；相反，NH3等离子处理时间为t时，O元素浓度较高，继续增加NH3预处理时间，O元素浓度逐渐减少，Cu表面的氧化物逐渐移除，说明H2比NH3有更高的Cu氧化物移除效率，主要原因是H-H键解离能更低，H2在射频发生器的作用下比NH3电离出更多的H离子[4]。通过计算Cu反射率改变百分比发现，如图1所示，当处理时间较短时，H2等离子体处理比NH3等离子体处理有更高的Cu反射率改变百分比，代表Cu氧化物移除效率更高，和Cu氧化物发生氧化还原反应速率更快。随着NH3等离子体处理时间的增加，Cu反射率先上升再下降，主要原因是Cu表面的氧化物逐渐移除之后，N和Cu会形成Cu-N化学键，导致Cu反射率下降。

图 1 Cu反射率改变百分比随预处理时间变化关系

图 2 Cu互连线间泄露电流随预处理时间变化关系

2.1.2 Cu互连线间泄露电流图2显示了Cu互连线间泄露电流随预处理时间变化关系，H2等离子体处理比NH3等离子体处理在Cu互连线间产生更大的泄露电流，易造成互连线的击穿。Cu互连线间的主要泄露电流路径沿着Cu互连线和扩散阻挡层的分界面，而等离子体处理不改变Cu互连线的结构，由于NH3等离子体处理时会形成Cu-N化学键，使Cu互连线和NDC介质层分界面的结合力增强，从而减少了Cu互连线间的泄露电流，并且泄露电流的大小不随预处理时间的增加而变化[5]。

2.2 不同预处理条件对NDC介质层可靠性的影响

2.2.1 NDC介质层介电常数由于NDC介质层在淀积过程中也会暴露在等离子体环境下，等离子体对NDC介质层会产生一定影响。由于在等离子体环境下，等离子体中的活性分子能够去除NDC介质层包含C的疏水基，使薄膜变得亲水，吸收潮湿，增加了K值，从而影响芯片传输速度。由于NH3解离出的N原子渗入到NDC介质层中，即氮化作用，导致NH3等离子体处理比H2等离子体处理使NDC介质层增加了更多的K值[6]。随着时间增加，由于离子轰击，减少了NDC介质层中C原子的浓度，使NDC介质层上的孔密封，NH3不会继续渗入到介质层中，K值的增加达到饱和。

2.2.2 NDC介质层产生Bubble defect概率 NDC介质层在等离子体环境下产生的bubble defect使用SEM观察，Cu氧化物移除越充分，产生bubble defect概率越小。由于NH3活性较强，导致介质层层被撕裂，应力在整个晶圆薄弱点被释放，从而导致bubble defect的产生[7]，在实际生产中设法排除反应室中的NH3尤为重要，实验分组如表1所示。结果得出，无论如何改变工艺参数，NH3含量均大于180；如果在NDC介质层淀积完成后加入N2冲洗步骤，NH3含量明显减少。通过SEM观察，N2冲洗后NDC介质层上bubble defect产生概率明显减少，这对NDC工艺可靠性的提高有显著意义。

表 1 氨气等离子体预处理气泡缺陷优化实验安排表

3 讨论

本项研究验证了不同气体预处理对Cu互连工艺可靠性的影响，结果证明H2等离子处理比NH3等离子处理有更好的氧化物排除效率，对NDC介质层有更少的损害。但是，NH3等离子体处理时在铜互连线间产生更少的泄露电流，使铜互连工艺有更高的可靠性。目前正在研究使用两种气体同时处理以及如何配比对Cu互连工艺可靠性的影响，对NDC介质层预处理工艺步骤的还原效率及对半导体后段制程可靠性的提高有显著意义。实验中数据因一些原因已做归一化处理，请大家谅解。

4 结论

随着芯片尺寸的不断缩小，Cu互连线逐渐取代Al互连线被广泛使用，由于Cu很容易暴露在空气中被氧化，形成的氧化物会减少Cu互连线与介质层之间的结合力，从而使泄露电流增大。另一方面，由于尺寸缩小，即使很小的电流也可能造成互连线的击穿，所以减少互连线间的泄露电流成为半导体后段制程的重中之重。在目前的实际生产中，NDC介质层常作为扩散阻挡层而淀积。本文通过研究不同气体进行等离子体预处理时对铜反射率、铜互连线间泄露电流、介质层介电常数、铜互连线与介质层分界面的结合力等一系列的影响，优化NDC工艺中等离子体预处理工艺步骤，来减少对NDC介质层以及Cu互连线的损害并通过优化bubble defect产生概率来增加Cu互连工艺的可靠性。本文研究对半导体后段制程可靠性的提高有显著意义。

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Effects of Different Pretreatment Gases on the Reliability for Copper Interconnects in NDC Process

ZHANG Rong-ji1, LIU Jian-qiang2

1.100191,2.()100176,

As the process node decreases constantly, aluminum interconnect has been replaced by copper interconnect to use widely. Because damascene process does not need to etch copper, copper metal uses dual-damascene process. Copper can be oxidized easily by exposuring to air, and the formed copper oxide will diffuse rapidly into interlayer dielectrics. The copper oxide will damage the interlayer deeply and increase the leakage current between the interconnects. NDC interlayer is a film which has four elements include N, Si, H, C and is always deposited as the diffusion barrier film to hold up the copper diffusion. First of all, the flow of NDC interlayer was introduced in this paper. Then, the effects of different pretreatment plasmas on copper reflection, the leakage current between copper interconnects, dielectric constant and the probability of defects on interlayer were compared, and the process was optimized to reduce the probability of bubble defects in NDC interlayer during NH3plasma pretreatment. The results show that H2plasma treatment has better oxide removal efficiency and less damage to NDC interlayer than NH3plasma treatment. However, NH3plasma treatment produces less leakage current between copper interconnects, which makes the copper interconnects more reliable.

NDC interlayer; gas; copper interconnect

TN405

A

1000-2324(2019)04-0706-03

2019-01-24

2019-02-23

张荣跻（1994-）,男,硕士研究生,主要研究方向为集成电路制造工艺. E-mail:15663592622@163.com