雜質(zhì)也能提高器件可靠性
幾乎所有類型的雜質(zhì),從刻蝕殘余物到化學(xué)機械拋光(CMP)后產(chǎn)生的缺陷,都會對器件的可靠性產(chǎn)生消極作用。但偶爾也有例外,臺積電有限公司(TSMC)的工程師們最近發(fā)現(xiàn),巧妙地使用化學(xué)電鍍(ECP)添加劑可沿銅晶界形成雜質(zhì),可以抑制應(yīng)力導(dǎo)致的空洞(SIV)失效現(xiàn)象。TSMC的C.H.Shih及其同事在今年6月舉行的“IEEE國際互連技術(shù)會議”上,首次報告了晶界雜質(zhì)堆積對可靠性的積極作用。
研究小組的報告稱,通過改變ECP添加劑的結(jié)構(gòu)和濃度,可使SIV減少一個數(shù)量級,且具有良好的電遷移(EM)電阻。不使用合適的添加劑,可能會沿銅線形成規(guī)則的銅蝕斑。一旦附加應(yīng)力,通孔下面的寬銅線上最容易形成空洞。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的機理是由于銅的體積收縮以及空位沿銅晶界的擴散。采用TSMC的方法,沿晶界形成的雜質(zhì)能起到空位擴散勢壘的作用。
研究使用了A和B兩種添加劑,兩者分別為具有小和大分子量的陽離子聚合胺。對于A添加劑來說,可使用聚合物清除碳、硫磺和氯氣雜質(zhì),從而使碳、硫磺和氯氣的濃度分別增加2倍、3倍和4倍。使用硫磺和氯氣可形成填隙固溶體。工程師假設(shè),在銅晶體生長以及而后在晶界的堆積過程中,雜質(zhì)從填隙位置遷移到相鄰的空位。
TSMC對空白晶圓和雙大馬士革結(jié)構(gòu)進行了測試。在應(yīng)力遷移(SM)測試結(jié)構(gòu)中,0.11um上層金屬線通過0.1um通孔與具有多種線寬的下層金屬線相連。添加高濃度添加劑A可使0.1um溝槽上的銅蝕斑顯著增加。較高的添加劑濃度將使EM T50的壽命下降50%。隨著下層金屬線寬的增大,SM失效增加。然而,對于相同線寬的下層金屬線,失效率隨添加劑濃度的增大而下降。通過觀察電路的電阻漂移和SM壽命可以發(fā)現(xiàn),增加添加劑A的濃度可改進SM的壽命。由于蝕斑可降低EM的壽命性能,使用這種添加劑應(yīng)對如何抑制SM以及獲得更好的EM進行權(quán)衡。
比較而言,添加劑B中較大的聚合物不易填入小特征尺寸的溝槽中(圖1)。
銅雜質(zhì)能級更趨向于集中在寬金屬線中,具有好的縫隙填充優(yōu)勢。在沒有形成蝕斑的情況下實現(xiàn)了高雜質(zhì)濃度。結(jié)果與高濃度添加劑A相關(guān)的SIV現(xiàn)象也得到改進(圖2),這就進一步證實了晶界的雜質(zhì)堆積可作為空位擴散勢壘的假設(shè)。添加劑B的EM壽命性能也優(yōu)于添加劑A。采用添加劑B,EM壽命不會隨添加劑濃度的增大而下降,應(yīng)力導(dǎo)致的空洞現(xiàn)象也得到了更有效的抑制。
以前認為陽離子聚合胺基添加劑主要用于輔助銅互連的縫隙填充,最近還證實了其對抑制SIV形成以及改進EM性能的積極作用。雖然在多層銅互連中EM的主要擴散通路是位于銅/介質(zhì)勢壘界面處的界面擴散,已證實銅的微結(jié)構(gòu)和本體特性與界面電遷移密切相關(guān)。應(yīng)力導(dǎo)致的空洞這一特性可以通過對ECP添加劑的適當(dāng)設(shè)計得到改變,但其效果在以前的工作中還沒得到充分的檢驗。
