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等离子体蚀刻对EM的影响

  • 分类:技术支持
  • 作者:等离子清洗机-CRF plasma等离子设备-等离子表面处理机厂家-诚峰智造
  • 来源:
  • 发布时间:2020-12-11
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【概要描述】应力迁移(SM)和low-k TDDB,当器件工作时,金属互连线内有电流通过,由于电子与金属点阵之间存在动量交换,金属离子会在电子风(electron wind)的影响下产生漂移,其结果是使导线的某些部位出现空洞或者小丘,这就是电迁移现象。当空洞成长导致导线电阻增大到某一个临界值或形成断路,这时便发生电迁移失效。块状金属中,其电流密度较低(<104 A/cm2), 电迁移现象只在接近材料熔点的高温时才发生。

等离子体蚀刻对EM的影响

【概要描述】应力迁移(SM)和low-k TDDB,当器件工作时,金属互连线内有电流通过,由于电子与金属点阵之间存在动量交换,金属离子会在电子风(electron wind)的影响下产生漂移,其结果是使导线的某些部位出现空洞或者小丘,这就是电迁移现象。当空洞成长导致导线电阻增大到某一个临界值或形成断路,这时便发生电迁移失效。块状金属中,其电流密度较低(<104 A/cm2), 电迁移现象只在接近材料熔点的高温时才发生。

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  • 作者:等离子清洗机-CRF plasma等离子设备-等离子表面处理机厂家-诚峰智造
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等离子体蚀刻对EM的影响:

 

应力迁移(SM)和low-k TDDB,当器件工作时,金属互连线内有电流通过,由于电子与金属点阵之间存在动量交换,金属离子会在电子风(electron wind)的影响下产生漂移,其结果是使导线的某些部位出现空洞或者小丘,这就是电迁移现象。当空洞成长导致导线电阻增大到某一个临界值或形成断路,这时便发生电迁移失效。块状金属中,其电流密度较低(<104 A/cm2), 电迁移现象只在接近材料熔点的高温时才发生。薄膜材料则不然,如沉积的铝合金导线,由于截面积很小和具有良好的散热条件,电流密度可高达107 A/cm2,所以在较低温度下就会发生电迁移。电子风作用在金属离子上的力为

 

FEM= ρZ*eJ        (7-15)

 

其中,ρ为金属电阻率; Z*为金属的有效电荷数,表7.3列出了一些金属材料的Z*值。Z*值为负表示金属离子向正极移动; Z*值为正表示金属离子向负极移动。Z*的值越小,则抗电迁移的能力越强。表中Al和Cu的Z*值为负,Al离子和Cu离子都向正极移动,而Cu的Z*值只有Al的1/6,说明Cu的抗电迁移能力远大于Al。

 

表7.3各种金属材料的有效电荷数

材料

Pt

Co

W

Li

Cd

Cu

Au

Ag

Al

Z*

0.3

1.6

20

-1.4

-3.2~-0.15

-5

-8

-26

-30

 

电迁移是一个质量守恒的运输过程,当金属离子聚集会引起金属和周围电介质层的局部机械应力增大,这种局部应力增大致使金属离子回流(Blech效应)。对于较短金属线,Blech 效应会很强,强到足以抵消漂移的离子,以致电迁移被抑制。电迁移主要是由动量传递与扩散效应而产生,而动量传递与金属中流通的电流密度成正比,扩散效应与金属中的温度成正比。目前描述电迁移失效常用的是Black模型,其失效时间模型为

 

TF=A0(J-Jcrit)-nexp(Ea/kBT)            (7-16)

 

其中,A0为工艺、材料相关的系数,A0的不同使失效时间为一个分布,EM一般采用对数正态失效时间分布; J为电流密度; Jcrit为临界电流密度,只有当J大于Jcrit时才会发生电迁移; n是电流密度指数; Ea 是激活能; T是温度; kB是玻尔兹曼常数。

 

EM的迁移路径取决于金属导线结构和实际工艺。对一般的逻辑产品,0.13μm以上采用 铝合金互连,0.13μm以下采用铜互连,两种导线的结构和制造工艺不一样,其机理也有所不 同。铝合金互连结构中铝导线由沉积加蚀刻来成形,是二维结构,晶粒较大,当导线的线宽小于其晶粒的平均尺寸时,导线呈竹节状结构;铜互连结构中的铜导线和通孔是由双大马革(Dual Damascene,DD)工艺加CMP来成形,是三维结构,晶粒较小,而且由于铜扩散阳挡层的引入,在通孔底部和下层金属的结合处会有金属阻挡层TaN隔开。一般而言,铝互连线表面覆盖着一层氧化物薄膜Al2O3 ,其与铝本体之间具有很强的结合键能,所以铝中电迁移主要沿晶界(grain boundary)进行,当线宽变小呈现竹节状结构后,晶格(lattice)迁移成为主要机理。而Cu表面的氧化物CuO与Cu本体之间的结合相对较差,该界面给铜离子的迁移提供了高流动性通道。在目前典型铜互连工艺中,铜的上表面会有一层电介质阻挡层SiCON来阻挡Cu扩散和作为蚀刻停止层,所以铜结构中电迁移主要沿Cu与电介质阻挡层SiCON的界面进行。在电介质阻挡层沉积之前使用等离子体清理铜的自氧化层并将铜表面硅化能有效地改善EM,在铜表面覆盖能固定铜离子抑制其扩散的合金是另一种大幅度改善EM的方式,例如沉积一层很薄的Co或者CoWP。

 

电迁移的两种测试结构,分别为上行电迁移和下行电迁移结构。双大马士革铜互连工艺中通孔与上下金属层的连接是个复杂结构,对于上行电迁移结构,由于上层金属尺寸较小,通孔深宽比较大,上行结构的通孔填充是个挑战,如果铜填充时通孔侧壁上金属阻挡层覆盖不连续或不均匀,就会造成上行EM失效;而下层电迁移结构由于上层金属尺寸很大,没有通孔填充问题,其失效主要来源于通孔底部金属阻挡层与下层金属铜的复杂界面。Zhao等研究了通孔底部的裂缝状空洞对下行EM的影响,合适的蚀刻后清洗工艺能有效去除通孔底部的氧化铜和蚀刻残留物,减小裂缝状空洞,进而显著改善下行电迁移性能。

 

铜互连中一般下行电迁移失效比上行电迁移失效更快发生,但是如果上行结构的通孔中 有空洞缺陷会使上行电迁移失效很快发生,导致早期失效。随着集成电路特征尺寸缩小,双大 马士革工艺的铜填充问题是个很大的挑战,蚀刻定义的沟槽和通孔的尺寸和形貌对良好的铜 填充非常关键。Liu等系统地研究了双大马士革结构的关键尺寸与EM早期失效的关系。图蚀刻后双大马士革结构,MH为沟槽深度,VH 为通孔深度,D1为通孔在斜面处的上开口尺寸,D2为通孔底部尺寸。根据这些参数进一步可以定义两个关键的深宽比,分别是通孔深宽比Via AR=VH/ D2,斜面深宽比Chamfer AR=MH/ D1,引起EM失效的空洞出现在通孔中,我们称之为通孔失效模式;引起EM失效的空洞出现在通孔上部的斜面部位,我们称之为斜面失效模式。通过降低介电材料厚度和减少沟槽蚀刻深度或者增大通孔关键尺寸都能降低深宽比,从面有效减少上行EM的早期失效。需要指出的是,减薄层间介电材料和金属导线厚度都会增大RC延迟,增大通孔关键尺寸会引起通孔相关的电介质TDDB问题,因此需要在EM、电性参数和TDDB之间找到平衡点。

 

表7.4EM早期失效模式与两种关键深宽比的关系

晶圆

通孔深宽比

斜面深宽比

早期失效模式

等级

等级

通孔

斜面

W1

5.6

2.11

W2

4.84

中等

2.16

W3

4.57

1.96

中等

W4

4.57

1.75

 

在保持通孔底部尺寸一样的情况下,通过调节蚀刻工艺,增大通孔斜面处开口大小并呈现 圆滑的形貌,能改善上行EM而且不带来其他副作用。圆滑且较大的斜面开口比直角且较小的开口更有利于通孔中金属阻挡层覆盖并使电流密度分布更均 匀,减小了斜面处电流密度梯度,因此具有更优异的上行EM性能。

 

Zhou等研究了通孔形貌与上行EM早期失效的关系。在两种蚀刻机台的DD蚀刻工艺下,都观察到了上行EM早期失效,在分布图上体现为数不多的飞点,通过切片发现这些样品早期失效都来源于通孔内部斜面处的金属阻挡层覆盖不够均匀。DD蚀刻中沟槽蚀刻工艺 和沟槽蚀刻前通孔中有机物栓塞的高度决定了通孔形貌,而且通孔形貌要与金属阻挡 层沉积工艺均匀性相适应,才能达到整片晶圆均匀的斜面处金属阻挡层覆盖。在工艺开发后 期,沟槽蚀刻工艺固定下来,能改变的只有调节栓塞高度的步骤。利用均匀实验设计,通过为 数不多的实验次数就找到了合适工艺,虽然其蚀刻速率的全晶圆均匀性有所下降,但其与阻挡层沉积工艺配合,从而消除了上行EM早期失效。

等离子体蚀刻

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