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等离子体蚀刻对SM的影响

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发布时间：

2020-12-16

把集成电路芯片在一定温度下放置一定时间，但并不施加电流，在有些情况下，我们也可以观察到金属导线上出现了缺口或者空洞，甚至完全断开，这种现象一般是在应力迁移(SM) 作用下发生。当金属所受的机械应力大于其屈服应力，金属会发生与时间相关的塑性形变。在固定机械应力条件下，随时间发生的持续变形现象称为蠕变(creep)，蠕变变形会持续进行直到应力水平回到屈服应力之下或者直到发生破坏。IC中应力迁移其实就是机械应力作用引起的金属原子输运过程，其失效通常由蠕变驱动，本质是芯片金属互连层中的应力释放，应力释放的结果之一是在金属层中形成空洞。

等离子体蚀刻对SM的影响
机械应力的产生是因为在集成电路的金属互连和保护绝缘层工艺中会有不少高温过程，由于金属材料和绝缘材料的热膨胀系数不一样，这些高温过程会在金属层铝或铜中引入较大的应力，机械应力的大小与温度成反比。应力所造成的金属层中空洞的成核或生长是一种扩散过程，其与温度成正比。在机械应力与扩散两种效应的综合作用下，应力迁移诱发的空洞成核速率在某一温度下达到峰值。这个温度依赖于导体和周围绝缘体的性质，一般约为150~200℃。铜晶界上的空位在应力梯度作用下移动，聚集而形成空洞。铜互连通孔底部为由多种金属材料组成的不连续结构，其应力相对较小，因此空位倾向于向通孔底部移动和聚集，周围铜晶界以及铜与电介质阻挡层界面提供了空位来源。当单一通孔置于很宽的铜线上时，这种效应严重，因为宽的铜线内可提供的空位非常充足，可以使空洞不断长大而形成断路。
应力迁移现象可以由McPherson和Dunn提出的蠕变率(creep rate)模型来描述，其失效时间模型为
TF=B₀(T₀-T)^-nexp(E_a/k_BT) （7-17）
其中，T₀为金属无应力时的温度，对Cu来说近似为沉积时的温度；n为温差指数因子；Ea为金属扩散相关的激活能。
工程上一般将样品置于特定温度下烘烤特定时间，根据烘烤前后电阻的变化比值来评价 SM。分别为烘烤后通孔接触电阻上升85%和200%的样品的TEM图片，可以看出当空洞正好位于通孔正下方时，电阻上升幅度更大。
根据SM的原理，对SM影响大的一般是薄膜沉积工艺，如Cu沉积时的微结构控制，金属阻挡层沉积时对下层金属的溅射量，电介质热膨胀系数控制，铜中合金的影响等。蚀刻对SM的影响主要有两个方面。一个是蚀刻后通孔的形貌，如果沟槽和通孔连接处出现小栅栏状形貌，铜填充后在通孔内会出现空洞，导致SM很早失效。第二是通孔底部的聚合物残留多少以及对底部铜表面处理工艺，Zhou等探讨了不同的蚀刻后处理（Post Etch Treatment，PET)工艺对SM的影响，使用N2/H2气体的PET比CO2能更好地清除通孔底部的聚合物残留，并且对通孔底部铜进行还原，明显地提高了SM性能。