半導體內連線的金屬化製程參數對鋁銅導線效能的影響

Abstract

為了滿足半導體製程對良率，可靠度與效能的要求，就金屬化製程探討其製程參數對鋁銅導線效能的影響，包含熱遷移(或凸起產生)與電致遷移。在本研究中，內連線結構是在具絕緣二氧化矽之矽基材上，利用物理氣相沉積法成長TiN/Ti/Al-0.5wt%Cu/TiN/Ti的各種複合薄膜。在各個製程步驟後複合薄膜的結構與性質使用掃描電子顯微技術(SEM)、穿透電子顯微技術(TEM)、X射線繞射分析技術(XRD)、能量分散式光譜技術(EDX)、以及經由量測反射率(reflectivity) 、片電阻(sheet resistance)、內應力(internal stress)和電性加以分析探討。從實驗結果可得到以下結論。 金屬化製程的重要製程參數包含1.以Ti為附著層，TiN為晶種層的薄膜架構需具結晶狀態及(111)優選方向，2.具 (111)優選方向的AlCu層以緩和電致遷移效應，3.在沉積AlCu與TiN層之間加入曝大氣步驟，以減少熱和電致遷移。換言之，TiN與AlCu層皆為面心堆積晶體結構，其晶格匹配性高(TiN與Al晶格常數分別為0.424與0.409 nm)並具相同(111)緊密堆積面。有(111)優選緊密堆積方向的晶體結構，其主要優點是能加強對熱和電致遷移的抵抗性。另外曝大氣步驟的效果是引導O原子進入TiN層的晶粒邊界並在隨後的沉積與熱處理製程中形成TiO2，而減少Al與Cu原子擴散進入TiN層的晶粒邊界。因為Kirkendall效應與Al比Cu有較高擴散率的緣故，沿著AlCu與TiN界面的Cu濃度將會高於平均濃度，而在高Cu濃度的AlCu與TiN界面產生的熱膨脹差異大於在低Cu濃度的AlCu與TiN界面，這會增加凸起產生的機率。而加入曝大氣步驟的試片並沒有發現凸起並且在電致遷移的測試上也有多13.1%的生命週期，這也呼應了以上現象。 關於曝大氣步驟對AlCu薄膜結構與性質的影響，在沉積完或熱處理後量測結果顯示，使用與沒使用曝大氣步驟的試片間沒有顯示特別的差異，以代表性的沉積後AlCu薄膜結構為例，來比較沒使用與使用曝大氣步驟的試片，其平均晶粒直徑大小，片電阻與反射強度分別從770 到760 nm ，63.9到64.3 mΩ/sq以及92%到92% (在波長550 nm時)。