電鍍工藝優(yōu)化對銅金屬層后孔洞缺陷的影響

申請上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文電鍍工藝優(yōu)化對銅金屬層后孔洞缺陷的影響學(xué)校代碼：10248作者姓名：黃濤學(xué)號：1082102058第一導(dǎo)師：汪輝第二導(dǎo)師：胡平學(xué)科專業(yè)：微電子工程答辯日期：2010年05月12日上海交通大學(xué)微電子學(xué)院2010年05月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversity

forMasterDegreeofEngineeringREDUCECOPPERMETALLINEPITSDEFECTBYOPTIMIZEEELECTRICITYCOPPERPLATINGPROCESSUniversityCode：10248Author：HuangTaoStudentID:1082102058Mentor1WangHuiMentor2:HuPingField：Micro-electronicsEngineeringDateofOralDefense：2010-05-12SchoolofMicro-electronicsShanghaiJiaotongUniversityMay,2010上海交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日

上海交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文屬于不保密□。（請在以上方框內(nèi)打“√”）學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日電鍍工藝優(yōu)化對銅金屬層后孔洞缺陷的影響摘要隨著半導(dǎo)體器件尺寸的不斷縮小，互連對芯片速度、可靠性、功耗等性能的影響越來越大?；ミB材料和工藝技術(shù)的改進成為集成電路技術(shù)進步的重要關(guān)鍵之一。后端互連技術(shù)，已經(jīng)逐步從鋁互連過渡到銅互連。在0.13μm及其以下的技術(shù)節(jié)點中，銅互連技術(shù)已經(jīng)成為主流。在我們引入電鍍銅工藝的同時我們也不得不面對電鍍銅后的一些銅線工藝所特有的缺陷,如銅線和低K值介電質(zhì)可靠性問題，電鍍銅后產(chǎn)生的孔洞缺陷等問題。本文通過對金屬層孔洞缺陷產(chǎn)生機制的一些研究分析，針對電鍍銅工藝進行對比實驗，優(yōu)化其制備工藝。通過研究在電鍍銅工藝中不同轉(zhuǎn)速，不同退火溫度的銅金屬層的電阻率和內(nèi)應(yīng)力,及電鍍后到化學(xué)機械研磨之間等待時間，進行工藝參數(shù)的調(diào)整,找到了幾種有效解決銅金屬層后孔洞缺陷的方案。在本項研究工作中，根據(jù)實際生產(chǎn)應(yīng)用降低成本，提高效益的需求，選取了低轉(zhuǎn)速的電鍍銅工藝和控制電鍍后到化學(xué)機械研磨之間等待時間方案應(yīng)用到實際生產(chǎn)工藝中。使產(chǎn)品的缺陷降低，成品率和可靠性得到了有效提升。關(guān)鍵詞：銅互連，電鍍銅工藝，銅孔洞缺陷，退火，成品率REDUCECOPPERMETALLINEPITSDEFECTBYOPTIMIZEEELECTRICITYCOPPERPLATINGPROCESSAbstractWiththedown-scalingofthedevice,backendinterconnectionplaysasamuchmoreandmoreimportantroleforthedensity,speed,powerandreliabilityofthechip.Theimprovementofinterconnectmaterialandinterconnecttechnologybecomeakeypointoftheprogressofsemiconductingmanufacturetechnology.After0.13μmtechnologynode,CulinehasreplacestheAllineandbecomethemainstreamtechnology.WehavetosuffersomeCulineissuewhenafterweuseCutoreplaceAL.SuchasthereliabilitywithCUandlowKdielectric,postCMPCulinepitsdefect.Inthispaper,bystudingthemechanismofCumetallinepitsdefect,andcomparingtheexperimentsresultofECPprocess,thewholeECPprocessisoptimized.Themetallineresistivityandstressunderdifferentrotationspeedsandannealtemperature,andthedifferentQ-timefromECPtoCMParestudied,finallyfindoutseveralkindsofoptimizedECPprocesswhichcanimprovethedefectwithdiffernetbestprocessparameters.Consideringthecostandbenifetduringmassproduction,weselectedthelowrotationspeedECPprocessandcontrolECPtoCMPQ-timeasthefinalsolutionstoimplementintotheprocess,whichcansignificantlyreducethedefectandimprovetheyieldandreliabilityforproduction.Keywords:Copperinterconnecttechnology,ECP,Copperpits,anneal,yield目錄1.緒論 總結(jié)隨著半導(dǎo)體器件尺寸的不斷縮小，器件后端互連上的互連延時變得不可忽略甚至成為決定延時的主要因素。為了解決此問題，尋求更低阻值的后端互連金屬成為降低延時的重要途徑之一。另外，器件尺寸的不短縮小，帶來的后端互連金屬線橫截面的等比例縮小，電流密度大大上升，鋁互連電遷移已成為影響互連線可靠性的重要問題。由于具有較低的電阻率，較強的抗電遷移能力，銅已代替鋁成為主要的互連金屬。在引入電鍍銅工藝的同時不得不面對電鍍銅后的一些銅線工藝所特有的缺陷。如銅線和低K值介電質(zhì)可靠性問題；化學(xué)機械研磨后銅的腐蝕以及電鍍銅后產(chǎn)生的孔洞缺陷。其中電鍍銅后孔洞缺陷是本文研究的重點。常見的關(guān)于電鍍銅后產(chǎn)生的孔洞缺陷的探討，多見于探討調(diào)整銅金屬種子層的厚度；電鍍銅工藝前清洗以去除污染物；電鍍時轉(zhuǎn)速的控制以及電鍍時化學(xué)添加劑的改進等方法來達到減少銅金屬層孔洞缺陷的數(shù)量。雖然這些方法對銅金屬層孔洞缺陷的控制有一定的效果，但是還不能完全適用于大規(guī)模制造工藝。在此，本文試圖結(jié)合300mm生產(chǎn)實際，尋求一種優(yōu)化的電鍍銅制備方式，既可以有效減少銅金屬層孔洞缺陷發(fā)生，而且又是成本較低，可以適用于大規(guī)模的生產(chǎn)的工藝方式。本文中，通過對比電鍍銅工藝中不同的轉(zhuǎn)速對孔洞缺陷的影響，通過調(diào)整工藝參數(shù)，可以有效控制孔洞缺陷的數(shù)量；通過對電鍍后到化學(xué)機械研磨之間等待時間實驗結(jié)果對照分析，結(jié)合實際生產(chǎn)需求，適當(dāng)減少電鍍后到化學(xué)機械研磨之間等待時間也可以有效控制孔洞缺陷的數(shù)量；根據(jù)對不同的退火的溫度和退火時間的對比實驗的結(jié)果，我們選擇合適的退火條件即可以有效控制銅金屬層后孔洞缺陷又不會對銅金屬層的電導(dǎo)率和內(nèi)應(yīng)力造成大的影響。結(jié)合生產(chǎn)實際，本文中找到了3種可以有效控制銅金屬孔洞缺陷的數(shù)量的解決方法?；诖笠?guī)模批量生產(chǎn)對工藝高性能與低成本必須兼顧的要求，我們最終選擇了一種技術(shù)與成本兼顧的優(yōu)化方案，有效地解決了生產(chǎn)中遇到的實際問題，提升了產(chǎn)品的成品率和可靠性。目前該方案已經(jīng)被應(yīng)用到300mm銅互連的生產(chǎn)線中，非常有效地控制了產(chǎn)品銅金屬層后孔洞缺陷的數(shù)量，顯著提高了產(chǎn)品的良率和可靠性，也提高了客戶滿意度。參考文獻[1]K.Radhakrishnanet.ReactivesputterdepositionandcharacterizationofTatalumnitridethinfilms.[J]，1999-03-12[2]Y.X.Lenget.BiomedicalpropertiesofTatalumnitridefilmssynthesizedbyreactivemagnetronsputtering.[J]2001-05-26[3]ThomasWaechtleret.CharacterizationofSputteredTaandTaNFilmsbySpectroscopicEllipsometry.[J]2000-07-01[4]Wen-HorngLeeet.CharacterizationofTantalumnitridefilmsdepositedbyreactivesputteringofTainN2-Argasmixtures.[J]2000-11-12[5]D.Edelstein,J.Heidenreich,R.Goldblatt,W.Cote,C.Uzoh,N.Lustig,P.Roper,T.McDevitt,W.Motsiff,A.Simon,J.Dukovic,R.Wachnik,H.Rathore,R.Schulz,L.Su,S.Luce,andJ.Slattery,“FullCopperWiringinaSub-0.25pmCMOSULSITechnology,”TechnicalDigest,IEEEInternationalElectronDevicesMeeting,1997,p.773-776[6]P.C.Andricacos,C.Uzoh,J.O.Dukovic,J.Horkans,H.Deligianni,DamasceneCopperelectroplatingforchipinterconnections,IBMJ.Res.Dev.，1998，567-570[7]G.B.Alers,X.Lu

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