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隨著對(duì)新化學(xué)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(fù)擔(dān)還可以降低工藝對(duì)超低k薄膜的損傷。 在開發(fā)新型超低k（ULK）介電材料的過程中，有兩個(gè)主要問題一直困擾著業(yè)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(duì)這兩個(gè)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(xué)的集成方案，展示出頗具前景的結(jié)果。還介紹了一種特別令人感興趣的ULK材料：SiOC:H基的有機(jī)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(duì)材料的熱-機(jī)械性能會(huì)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(dǎo)熱系數(shù)的退化速度（冪指數(shù)規(guī)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(guī)律下降的。然而最近的研究證明，這種衰退能被隨后的修復(fù)技術(shù)所補(bǔ)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(jī)械性能。 以紫外線修復(fù)為例，紫外線照射以及因此發(fā)生的熱活化使OSG薄膜中SiOC:H基體的鍵結(jié)構(gòu)發(fā)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(fù)后材料結(jié)構(gòu)發(fā)生重排，大角度的Si-O-Si鍵向更加穩(wěn)定的小角或者“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，同時(shí)交聯(lián)程度也得到提高。因此，為了開發(fā)最佳的紫外修復(fù)工藝，需要深入理解選擇性的光分解和基體結(jié)構(gòu)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(lián)合的情況下降低薄膜密度。然而，當(dāng)孔隙率增加時(shí)，發(fā)生孔合并的幾率會(huì)增加，因此增加了合成新型ULK介電材料的復(fù)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(duì)彈性模量有正面影響，然而那些隨機(jī)連通的孔會(huì)降低機(jī)械性能。此外，孔的連通增加了大孔的形成幾率，反過來會(huì)在銅阻擋層等比例微縮時(shí)損害臺(tái)階覆蓋。最終，孔的連通還會(huì)為氣體污染物、濕氣、濕法清洗化學(xué)品、化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）漿料和用于阻擋層淀積的原子層淀積（ALD）前驅(qū)體提供擴(kuò)散通道，因此需要對(duì)其加以控制，使微連通度小于2.0 nm。 3 應(yīng)用導(dǎo)向 除這些普通的考慮外，低k材料的開發(fā)與應(yīng)用的關(guān)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(yīng)用方面，理想的薄膜應(yīng)該是孔隙率有限的ULK薄膜。然而，當(dāng)前的開發(fā)中，為達(dá)到期望的k值，卻不得不增加孔隙率。 存儲(chǔ)器應(yīng)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(jīng)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(jī)械性能和超過15GPa的彈性模量。特殊存儲(chǔ)器的應(yīng)用如閃存，根據(jù)所采用的工藝而定，可能需要高熱穩(wěn)定性和高場強(qiáng)下的經(jīng)時(shí)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(fù)雜，因?yàn)榧晒に噷?duì)銅電阻系數(shù)和有效k值都有影響，在此過程中，工藝參數(shù)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的相對(duì)重要性持續(xù)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(duì) “互連”的真實(shí)評(píng)估。對(duì)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(duì)物理和化學(xué)損傷更加敏感。工藝導(dǎo)致的損傷被證明是集成結(jié)構(gòu)中k值局部增加和/或可靠性降低的原因，這會(huì)消弱采用k電介材料的優(yōu)勢(shì)。工藝引發(fā)的低k膜損傷主要發(fā)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(zhì)和等離子體造成破壞的程度之間有什么樣的關(guān)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(dǎo)致的電介質(zhì)退化，其中包括柵疊層選擇，等離子體化學(xué)的選擇，以及刻蝕與去膠的工藝順序。對(duì)于孔隙率小于10%的低k薄膜，應(yīng)用光刻膠掩膜（RM）集成方案；對(duì)于孔隙率比較高的材料，IMEC轉(zhuǎn)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(huì)達(dá)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(jī)械性質(zhì)在CMP后缺陷產(chǎn)生過程中扮演重要角色。他們的研究還表明，為減輕CMP導(dǎo)致的機(jī)械損傷，提高ULK 薄膜表面的機(jī)械性質(zhì)會(huì)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(qiáng)薄膜的機(jī)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(hù)層（DPL）。MHM方案應(yīng)用于高孔隙率和中孔隙率的低k薄膜時(shí)，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(zhì)因數(shù)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(huì)擴(kuò)展，導(dǎo)致keff的增加和后續(xù)濕法清洗中的線條扭曲。這種現(xiàn)象表明，精心選擇的刻蝕、去膠和涉及到等離子體參數(shù)和工藝順序的濕法清洗化學(xué)品，是決定最優(yōu)化解決方案的關(guān)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(guān)的等離子體、濕法清洗和CMP工藝的進(jìn)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(xiàn)象、k值降低、成品率損失和低可靠性都是窄結(jié)構(gòu)刻蝕的最大挑戰(zhàn)。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(gè)問題。 一種使用金屬或有機(jī)材料作為犧牲硬掩膜層的方法正在開發(fā)中，可以替代傳統(tǒng)的SiO2和SiC無機(jī)硬掩膜層。與多孔SiOCH相比，金屬和有機(jī)材料如 TiN、TaN和富碳層具有完全不同的化學(xué)性質(zhì)，因此在選擇性和各向異性刻蝕方面，比傳統(tǒng)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(fā)生，所以需要更加根本地理解損傷機(jī)制。 7 低k沉積和光刻膠灰化 實(shí)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(xué)物質(zhì)的低溫、低壓、各向異性光刻膠去膠。等離子體中的活性物質(zhì)可以完成低溫下去膠。然而，活性物質(zhì)會(huì)流動(dòng)滲透到多孔的含碳低k薄膜，導(dǎo)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(xué)物質(zhì)，通過等離子體流完成各向同性去膠。對(duì)于這種方法，我們?cè)谙冗M(jìn)低k材料上研究了He/H2等離子體在各種襯底溫度時(shí)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(fù)去除了致孔劑，產(chǎn)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(jié)果表明，所研究的薄膜沒有親水化轉(zhuǎn)變。此外，He/H2等離子去膠過度可能會(huì)提高孔隙率，而改性層不會(huì)發(fā)生親水化轉(zhuǎn)變，因此會(huì)進(jìn)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(guān)，并且沒有初始材料中致孔劑是否完全去除的標(biāo)志。然而，因?yàn)榭紫堵试黾幽軐?dǎo)致薄膜k值的降低，同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度的損失相對(duì)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(shí)質(zhì)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(zhì)首先被刻蝕然后進(jìn)行光刻膠去膠，必須嚴(yán)格遵循這個(gè)次序。相反，在MHM方案中，預(yù)期的圖案被轉(zhuǎn)移到MHM上，然后在刻蝕低k介質(zhì)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(gè)工藝步驟是獨(dú)立的。光刻步驟的參數(shù)與介電材料無關(guān)。 這種方法限制了薄膜暴露在等離子體中的次數(shù)，同時(shí)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(kuò)大，而無法被刻蝕去除（圖4a）。損傷部分在刻蝕后仍會(huì)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(xué)品。例如，在使用HF清洗時(shí)，鉆蝕的出現(xiàn)（圖4f）會(huì)影響線條形貌和阻擋層臺(tái)階覆蓋。損傷性較低的刻蝕化學(xué)品可能會(huì)在溝槽的側(cè)壁和MHM上留下聚合物層。 必須對(duì)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(shí)，成品率損失的情況。這種現(xiàn)象能否得到增強(qiáng)，主要取決于低k介電材料的化學(xué)性質(zhì)。對(duì)于一個(gè)k值約為 2.5、基于致孔劑、采用PECVD生長的ULK薄膜來說，這個(gè)問題可以通過刻蝕后的清洗步驟加以解決。由于低k介質(zhì)的等比例微縮，需要考慮更高效的濕法清洗化學(xué)品。 9 化學(xué)機(jī)械平坦化導(dǎo)致的損傷 為研究CMP引發(fā)的損傷，需要開發(fā)出可靠的測(cè)量方法，首先是找到合適的測(cè)試工具。理想狀態(tài)下，測(cè)試工具必須同時(shí)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(chǎn)生類似國際象棋棋盤的結(jié)構(gòu)，在晶圓的中心和邊緣區(qū)域留下大片開闊區(qū)域。這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。 與低k材料表面相接觸的金屬層，可以是銅阻擋層或者M(jìn)HM，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(jī)制是可逆的。有些方法可以修復(fù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)CMP和CMP后清洗工藝的低k材料。 直接CMP（無硬掩膜保護(hù)）之后，對(duì)于去除殘留的有機(jī)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?yàn)閽伖獗砻娴挠H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(fù)疏水性和穩(wěn)定表面，含有氯 硅烷反應(yīng)基（-SiMenCl3-n）或者疏水甲基官能團(tuán)的有機(jī)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(jī)處理對(duì)于恢復(fù)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(shí)間穩(wěn)定而不導(dǎo)致孔隙率的重大變化。 值得指出的是，這些修復(fù)溶液只能用于CMP導(dǎo)致的損傷。推薦的特別解決方案是由紫外修復(fù)方法提高ULK材料的性質(zhì)、在ULK介質(zhì)/金屬界面嵌入“硬”保護(hù)層和仔細(xì)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(jī)械強(qiáng)度的介電保護(hù)層以阻止CMP引發(fā)的損傷。通常，介電保護(hù)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(jīng)證明了TaN MHM和DPL聯(lián)合使用的優(yōu)點(diǎn)。DPL對(duì)滲漏和擊穿性能具有正面影響，在熱循環(huán)中沒有觀察到漏電流發(fā)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(jié)果。該結(jié)果表明DPL保護(hù)ULK薄膜免受CMP引發(fā)的損傷。 在存在和不存在DPL的情況下分別進(jìn)行TDDB測(cè)量。存在DPL時(shí)，測(cè)試表明使用壽命可達(dá)10多年。而無DPL時(shí)候，經(jīng)很短的時(shí)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(duì)電介質(zhì)層的粘附力，并去除了剩余的微粒。對(duì)致密的低k薄膜來說，氨等離子體是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。然而，在低k介質(zhì)等比例微縮時(shí)，純氨等離子體會(huì)造成嚴(yán)重的場損傷（圖6）。 為修復(fù)銅還原導(dǎo)致的損傷（等離子體損傷的證據(jù)），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(tǒng)NH3等離子體在孔隙率超過25%時(shí)會(huì)達(dá)到極限，因此NH3等離子體之前用氦等離子體對(duì)介電材料表面進(jìn)行預(yù)處理是個(gè)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(jié)論 選擇一個(gè)互連方案時(shí)，需要結(jié)合材料性質(zhì)與單元工藝進(jìn)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(lián)系。今天，對(duì)于k值為 3.0-2.5的絕緣層，目標(biāo)是降低CD，且維持性能和可靠性。對(duì)于k<2.5的絕緣層，重點(diǎn)在于發(fā)展孔隙率小于25%的ULK薄膜。 |
