电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

H:\精品资料\建筑精品网原稿ok（删除公文）\建筑精品网5未上传百度申请上海交通大学工程硕士学位论文电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响学校代码:10248作者姓名:黄涛学号:第一导师:汪辉第二导师:胡平学科专业:微电子工程答辩日期:05月12日上海交通大学微电子学院05月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversity

forMasterDegreeofEngineeringREDUCECOPPERMETALLINEPITSDEFECTBYOPTIMIZEEELECTRICITYCOPPERPLATINGPROCESSUniversityCode:10248Author:HuangTaoStudentID:Mentor1WangHuiMentor2:HuPingField:Micro-electronicsEngineeringDateofOralDefense:-05-12SchoolofMicro-electronicsShanghaiJiaotongUniversityMay,上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年月日

上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学能够将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,能够采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□,在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。(请在以上方框内打”√”)学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年月日日期:年月日电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响摘要随着半导体器件尺寸的不断缩小,互连对芯片速度、可靠性、功耗等性能的影响越来越大。互连材料和工艺技术的改进成为集成电路技术进步的重要关键之一。后端互连技术,已经逐步从铝互连过渡到铜互连。在0.13μm及其以下的技术节点中,铜互连技术已经成为主流。在我们引入电镀铜工艺的同时我们也不得不面对电镀铜后的一些铜线工艺所特有的缺陷,如铜线和低K值介电质可靠性问题,电镀铜后产生的孔洞缺陷等问题。本文经过对金属层孔洞缺陷产生机制的一些研究分析,针对电镀铜工艺进行对比实验,优化其制备工艺。经过研究在电镀铜工艺中不同转速,不同退火温度的铜金属层的电阻率和内应力,及电镀后到化学机械研磨之间等待时间,进行工艺参数的调整,找到了几种有效解决铜金属层后孔洞缺陷的方案。在本项研究工作中,根据实际生产应用降低成本,提高效益的需求,选取了低转速的电镀铜工艺和控制电镀后到化学机械研磨之间等待时间方案应用到实际生产工艺中。使产品的缺陷降低,成品率和可靠性得到了有效提升。关键词:铜互连,电镀铜工艺,铜孔洞缺陷,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目录1.绪论 总结随着半导体器件尺寸的不断缩小,器件后端互连上的互连延时变得不可忽略甚至成为决定延时的主要因素。为了解决此问题,寻求更低阻值的后端互连金属成为降低延时的重要途径之一。另外,器件尺寸的不短缩小,带来的后端互连金属线横截面的等比例缩小,电流密度大大上升,铝互连电迁移已成为影响互连线可靠性的重要问题。由于具有较低的电阻率,较强的抗电迁移能力,铜已代替铝成为主要的互连金属。在引入电镀铜工艺的同时不得不面对电镀铜后的一些铜线工艺所特有的缺陷。如铜线和低K值介电质可靠性问题;化学机械研磨后铜的腐蚀以及电镀铜后产生的孔洞缺陷。其中电镀铜后孔洞缺陷是本文研究的重点。常见的关于电镀铜后产生的孔洞缺陷的探讨,多见于探讨调整铜金属种子层的厚度;电镀铜工艺前清洗以去除污染物;电镀时转速的控制以及电镀时化学添加剂的改进等方法来达到减少铜金属层孔洞缺陷的数量。虽然这些方法对铜金属层孔洞缺陷的控制有一定的效果,可是还不能完全适用于大规模制造工艺。在此,本文试图结合300mm生产实际,寻求一种优化的电镀铜制备方式,既能够有效减少铜金属层孔洞缺陷发生,而且又是成本较低,能够适用于大规模的生产的工艺方式。本文中,经过对比电镀铜工艺中不同的转速对孔洞缺陷的影响,经过调整工艺参数,能够有效控制孔洞缺陷的数量;经过对电镀后到化学机械研磨之间等待时间实验结果对照分析,结合实际生产需求,适当减少电镀后到化学机械研磨之间等待时间也能够有效控制孔洞缺陷的数量;根据对不同的退火的温度和退火时间的对比实验的结果,我们选择合适的退火条件即能够有效控制铜金属层后孔洞缺陷又不会对铜金属层的电导率和内应力造成大的影响。结合生产实际,本文中找到了3种能够有效控制铜金属孔洞缺陷的数量的解决方法。基于大规模批量生产对工艺高性能与低成本必须兼顾的要求,我们最终选择了一种技术与成本兼顾的优化方案,有效地解决了生产中遇到的实际问题,提升了产品的成品率和可靠性。当前该方案已经被应用到300mm铜互连的生产线中,非常有效地控制了产品铜金属层后孔洞缺陷的数量,显著提高了产品的良率和可靠性,也提高了客户满意度。参考文献[1]K.Radhakrishnanet.ReactivesputterdepositionandcharacterizationofTatalumnitridethinfilms.[J].com,1999-03-12[2]Y.X.Lenget.BiomedicalpropertiesofTatalumnitridefilmssynthesizedbyreactivemagnetronsputtering.[J].com-05-26[3]ThomasWaechtleret.CharacterizationofSputteredTaandTaNFilmsbySpectroscopicEllipsometry.[J].com-07-01[4]Wen-HorngLeeet.CharacterizationofTantalumnitridefilmsdepositedbyreactivesputteringofTainN2-Argasmixtures.[J].com-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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