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隨著對新化學品和集成方案了解的加深，我們不但可以減輕介電層孔隙率增加引起的負擔還可以降低工藝對超低k薄膜的損傷。 在開發新型超低k（ULK）介電材料的過程中，有兩個主要問題一直困擾著業界：ULK材料的孔隙率不斷增加，以及工藝集成過程中可能造成的薄膜損傷。本文對這兩個問題做了深入探討，并通過采用基于金屬硬掩膜層和新型等離子體化學的集成方案，展示出頗具前景的結果。還介紹了一種特別令人感興趣的ULK材料：SiOC:H基的有機金屬硅酸鹽玻璃（OSG）。 1 孔隙率問題 眾所周知，介電薄膜中增加的孔隙率對材料的熱-機械性能會帶來不利的影響。此外，隨著孔隙率的增加，材料的彈性模量和導熱系數的退化速度（冪指數規律）要比其材料密度和k值的降低速度要快，后兩者是以線性規律下降的。然而最近的研究證明，這種衰退能被隨后的修復技術所補償，包括熱、等離子體、紫外線和電子束方法，都可以成功地提高材料的熱-機械性能。 以紫外線修復為例，紫外線照射以及因此發生的熱活化使OSG薄膜中SiOC:H基體的鍵結構發生重排，從而提高了薄膜硬度，并且保留了薄膜的疏水性和初始的孔隙率。 紫外線修復后材料結構發生重排，大角度的Si-O-Si鍵向更加穩定的小角或者“網絡”結構轉變，同時交聯程度也得到提高。因此，為了開發最佳的紫外修復工藝，需要深入理解選擇性的光分解和基體結構的鏈遷移率。 2 孔合并 為得到較粗糙的低k薄膜，我們非常希望在沒有孔聚集或者聯合的情況下降低薄膜密度。然而，當孔隙率增加時，發生孔合并的幾率會增加，因此增加了合成新型ULK介電材料的復雜性。 孔合并在許多方面是有害的。直徑小于2nm的有序孔，被證明對彈性模量有正面影響，然而那些隨機連通的孔會降低機械性能。此外，孔的連通增加了大孔的形成幾率，反過來會在銅阻擋層等比例微縮時損害臺階覆蓋。最終，孔的連通還會為氣體污染物、濕氣、濕法清洗化學品、化學機械平坦化（CMP）漿料和用于阻擋層淀積的原子層淀積（ALD）前驅體提供擴散通道，因此需要對其加以控制，使微連通度小于2.0 nm。 3 應用導向 除這些普通的考慮外，低k材料的開發與應用的關系非常密切，往往要滿足一些額外的需求。例如，在邏輯器件應用方面，理想的薄膜應該是孔隙率有限的ULK薄膜。然而，當前的開發中，為達到期望的k值，卻不得不增加孔隙率。 存儲器應用跟隨著邏輯器件的路徑，并有大約5年的延遲。在這種情況下，低k薄膜必須能經受住較高的電壓操作，典型的電壓約為15V，并且需要較高的機械性能和超過15GPa的彈性模量。特殊存儲器的應用如閃存，根據所采用的工藝而定，可能需要高熱穩定性和高場強下的經時絕緣擊穿（TDDB）性能。 4 集成方案 銅和低k薄膜的集成變得更加復雜，因為集成工藝對銅電阻系數和有效k值都有影響，在此過程中，工藝參數統計波動的相對重要性持續上升。此外，定義正確方法的難度不可忽視，此方法將問題的基本方面與不完美的工藝分離，因此可能得到對 “互連”的真實評估。對合適的IC后道（BEOL）集成方案來說，選用每種特定的初始材料都需要考慮這些因素。 如果只是純粹考慮銅大馬士革集成中工藝引起的低k膜的損傷，我們知道隨著k值的降低，薄膜對物理和化學損傷更加敏感。工藝導致的損傷被證明是集成結構中k值局部增加和/或可靠性降低的原因，這會消弱采用k電介材料的優勢。工藝引發的低k膜損傷主要發生在等離子曝光過程中——包括刻蝕、去膠和CMP后等離子體清洗。 5 金屬硬掩膜層 特定的材料性質和等離子體造成破壞的程度之間有什么樣的關系，目前尚不清楚。在IMEC，主要是通過修改集成方案來減輕刻蝕和去膠等離子體操作導致的電介質退化，其中包括柵疊層選擇，等離子體化學的選擇，以及刻蝕與去膠的工藝順序。對于孔隙率小于10%的低k薄膜，應用光刻膠掩膜（RM）集成方案；對于孔隙率比較高的材料，IMEC轉向金屬硬掩膜（MHM）集成方案（圖1）。 按此集成方法，在圖形化過程中損傷會達到最小，接下來，CMP和/或銅還原后的CMP后等離子體清洗過程，以及殘留的微粒清除過程也可能損傷介電薄膜。 在此前的研究中，研究人員證明了介電材料的機械性質在CMP后缺陷產生過程中扮演重要角色。他們的研究還表明，為減輕CMP導致的機械損傷，提高ULK 薄膜表面的機械性質會是一種可行的方法。因此在MHM淀積之前，沉積一層很薄的SiC層（約5nm）以增強薄膜的機械性能。其他小組用SiO2作為MHM 淀積之前的沉積材料，這一層通常被稱為介電保護層（DPL）。MHM方案應用于高孔隙率和中孔隙率的低k薄膜時，其k值（keff）與體材料k值（剛完成沉積）的差異分別減小至0.0和0.2。（集成方案的品質因數是使△k = keff/k盡可能的小。） 將MHM集成方案移植到高孔隙率材料并不容易。金屬硬掩膜下的損傷可能會擴展，導致keff的增加和后續濕法清洗中的線條扭曲。這種現象表明，精心選擇的刻蝕、去膠和涉及到等離子體參數和工藝順序的濕法清洗化學品，是決定最優化解決方案的關鍵。 提高窄線條的圖形化性能，包括損傷和線條輪廓控制。接下來的部分將要介紹與低k薄膜有關的等離子體、濕法清洗和CMP工藝的進展。 6 等離子體損傷 在大馬士革集成中，避免線條輪廓扭曲、各向異性刻蝕現象、k值降低、成品率損失和低可靠性都是窄結構刻蝕的最大挑戰。正如前文提到的，這些問題大部分起源于低k材料的刻蝕和去膠等離子體過程，并在BEOL工藝流程中被放大。目前正在考慮多種手段來克服這個問題。 一種使用金屬或有機材料作為犧牲硬掩膜層的方法正在開發中，可以替代傳統的SiO2和SiC無機硬掩膜層。與多孔SiOCH相比，金屬和有機材料如 TiN、TaN和富碳層具有完全不同的化學性質，因此在選擇性和各向異性刻蝕方面，比傳統硬掩膜有更好的性能。但此方案不能完全阻止圖形化過程中等離子體損傷的發生，所以需要更加根本地理解損傷機制。 7 低k沉積和光刻膠灰化 實際上，在銅/低k集成中的去膠工藝可以劃分為兩類主要方法。第一種是基于氧化和還原等離子體化學物質的低溫、低壓、各向異性光刻膠去膠。等離子體中的活性物質可以完成低溫下去膠。然而，活性物質會流動滲透到多孔的含碳低k薄膜，導致碳損耗和后來的親水化。 第二種去膠方法是在270-320℃的高襯底溫度下，利用還原性的化學物質，通過等離子體流完成各向同性去膠。對于這種方法，我們在先進低k材料上研究了He/H2等離子體在各種襯底溫度時的效果（圖2和3）。低k薄膜通過基于致孔劑的PECVD方法沉積，熱輔助紫外修復去除了致孔劑，產生出了孔隙。 低k薄膜仍然是疏水性的，因此He/H2等離子體灰化處理并沒有造成任何損害。結果表明，所研究的薄膜沒有親水化轉變。此外，He/H2等離子去膠過度可能會提高孔隙率，而改性層不會發生親水化轉變，因此會進一步降低材料的k值。孔隙率的增加與剩余致孔劑的去除有關，并且沒有初始材料中致孔劑是否完全去除的標志。然而，因為孔隙率增加能導致薄膜k值的降低，同時機械強度的損失相對較少，因此這種改性非但沒有害處，反而是有益的。 8 低k刻蝕和濕法清洗 基于MHM圖形化的實質是在刻蝕低k介電材料之前，將光刻膠去膠與等離子體刻蝕和灰化分離開。在光刻膠掩膜方案中，低k介質首先被刻蝕然后進行光刻膠去膠，必須嚴格遵循這個次序。相反，在MHM方案中，預期的圖案被轉移到MHM上，然后在刻蝕低k介質之前就可以去除光刻膠，或者先刻蝕低k材料然后去除光刻膠。在后一方案中，兩個工藝步驟是獨立的。光刻步驟的參數與介電材料無關。 這種方法限制了薄膜暴露在等離子體中的次數，同時低k薄膜在去膠過程中被損壞的部分，也在刻蝕工藝中被去除了。然而，隨著孔隙率的增加，灰化引起的損傷在MHM下逐漸擴大，而無法被刻蝕去除（圖4a）。損傷部分在刻蝕后仍會保留下來（圖4c），或是在濕法清洗過程中被去除（圖4b和 4d），這取決于所使用的化學品。例如，在使用HF清洗時，鉆蝕的出現（圖4f）會影響線條形貌和阻擋層臺階覆蓋。損傷性較低的刻蝕化學品可能會在溝槽的側壁和MHM上留下聚合物層。 必須對這些高分子層加以注意，將其完全清除才能阻止電良率的降低，尺寸低于100nm的情況尤其如此。圖5展示了線條尺寸從150nm降低到90nm時，成品率損失的情況。這種現象能否得到增強，主要取決于低k介電材料的化學性質。對于一個k值約為 2.5、基于致孔劑、采用PECVD生長的ULK薄膜來說，這個問題可以通過刻蝕后的清洗步驟加以解決。由于低k介質的等比例微縮，需要考慮更高效的濕法清洗化學品。 9 化學機械平坦化導致的損傷 為研究CMP引發的損傷，需要開發出可靠的測量方法，首先是找到合適的測試工具。理想狀態下，測試工具必須同時考慮CMP耗材、阻擋層和銅以及介電薄膜。一種途徑是通過部分圖形化方法產生類似國際象棋棋盤的結構，在晶圓的中心和邊緣區域留下大片開闊區域。這種結構允許在同一晶圓上表征無圖形的空白薄膜和有圖形的集成結構。 與低k材料表面相接觸的金屬層，可以是銅阻擋層或者MHM，這將影響到CMP后缺陷的形成和隨后的親水化過程。然而，這種損害的機制是可逆的。有些方法可以修復經過標準CMP和CMP后清洗工藝的低k材料。 直接CMP（無硬掩膜保護）之后，對于去除殘留的有機物和吸附在ULK材料表面的水，退火方法被證明是十分有效的。然而，因為拋光表面的親水性仍沒有改變，它不能阻止水分吸附引起的k值增加。因此，為恢復疏水性和穩定表面，含有氯 硅烷反應基（-SiMenCl3-n）或者疏水甲基官能團的有機分子被以液相、氣相或致密二氧化碳相的形式引入到損傷的ULK材料中。 這些有機處理對于恢復CMP處理后的ULK材料表面的疏水性都十分有效。然而，它們中只有一種能夠維持低k值（與體ULK材料的k值相比），并且能夠保持長時間穩定而不導致孔隙率的重大變化。 值得指出的是，這些修復溶液只能用于CMP導致的損傷。推薦的特別解決方案是由紫外修復方法提高ULK材料的性質、在ULK介質/金屬界面嵌入“硬”保護層和仔細選擇金屬層組成。 尤其特別的是，如果用TaN作為銅阻擋層和/或MHM層，則推薦使用高機械強度的介電保護層以阻止CMP引發的損傷。通常，介電保護層由k值大約為 3.1-3.5、楊氏模量約為23GPa的致密SiCO:H薄膜或者PECVD 生長的SiO2薄膜組成。PECVD生長的中孔隙率ULK薄膜已經證明了TaN MHM和DPL聯合使用的優點。DPL對滲漏和擊穿性能具有正面影響，在熱循環中沒有觀察到漏電流發生重大變化。這可歸因于CMP拋光過程中濕氣在ULK 材料里的吸附和解吸附，它是CMP拋光過程中刮擦和親水化的結果。該結果表明DPL保護ULK薄膜免受CMP引發的損傷。 在存在和不存在DPL的情況下分別進行TDDB測量。存在DPL時，測試表明使用壽命可達10多年。而無DPL時候，經很短的時間便失效了。 10 CMP后清洗造成的損傷 最終，可以證明用于CMP后清洗的等離子體有利于提高互連可靠性。它使銅表面被還原，提高了對電介質層的粘附力，并去除了剩余的微粒。對致密的低k薄膜來說，氨等離子體是一個標準選項。然而，在低k介質等比例微縮時，純氨等離子體會造成嚴重的場損傷（圖6）。 為修復銅還原導致的損傷（等離子體損傷的證據），使用了He-NH3基的等離子體，有效減少了溝槽間的碳損耗。 在CMP后清洗中，使用傳統NH3等離子體在孔隙率超過25%時會達到極限，因此NH3等離子體之前用氦等離子體對介電材料表面進行預處理是個很好的方法，可以獲得最小的損傷和較好的與介電材料襯墊的粘附力。 11 結論 選擇一個互連方案時，需要結合材料性質與單元工藝進行深入研究。最重要的是，需要在其相互作用、器件性能及可靠性之間建立清晰的聯系。今天，對于k值為 3.0-2.5的絕緣層，目標是降低CD，且維持性能和可靠性。對于k<2.5的絕緣層，重點在于發展孔隙率小于25%的ULK薄膜。 |
