低k集成的曙光
发布时间：2010-10-10 14:23
发布者：conniede
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随着对新化学品和集成方案了解的加深，我们不但可以减轻介电层孔隙率增加引起的负担还可以降低工艺对超低k薄膜的损伤。 在开发新型超低k（ULK）介电材料的过程中，有两个主要问题一直困扰着业界：ULK材料的孔隙率不断增加，以及工艺集成过程中可能造成的薄膜损伤。本文对这两个问题做了深入探讨，并通过采用基于金属硬掩膜层和新型等离子体化学的集成方案，展示出颇具前景的结果。还介绍了一种特别令人感兴趣的ULK材料：SiOC:H基的有机金属硅酸盐玻璃（OSG）。 1 孔隙率问题 众所周知，介电薄膜中增加的孔隙率对材料的热-机械性能会带来不利的影响。此外，随着孔隙率的增加，材料的弹性模量和导热系数的退化速度（幂指数规律）要比其材料密度和k值的降低速度要快，后两者是以线性规律下降的。然而最近的研究证明，这种衰退能被随后的修复技术所补偿，包括热、等离子体、紫外线和电子束方法，都可以成功地提高材料的热-机械性能。 以紫外线修复为例，紫外线照射以及因此发生的热活化使OSG薄膜中SiOC:H基体的键结构发生重排，从而提高了薄膜硬度，并且保留了薄膜的疏水性和初始的孔隙率。 紫外线修复后材料结构发生重排，大角度的Si-O-Si键向更加稳定的小角或者“网络”结构转变，同时交联程度也得到提高。因此，为了开发最佳的紫外修复工艺，需要深入理解选择性的光分解和基体结构的链迁移率。 2 孔合并 为得到较粗糙的低k薄膜，我们非常希望在没有孔聚集或者联合的情况下降低薄膜密度。然而，当孔隙率增加时，发生孔合并的几率会增加，因此增加了合成新型ULK介电材料的复杂性。 孔合并在许多方面是有害的。直径小于2nm的有序孔，被证明对弹性模量有正面影响，然而那些随机连通的孔会降低机械性能。此外，孔的连通增加了大孔的形成几率，反过来会在铜阻挡层等比例微缩时损害台阶覆盖。最终，孔的连通还会为气体污染物、湿气、湿法清洗化学品、化学机械平坦化（CMP）浆料和用于阻挡层淀积的原子层淀积（ALD）前驱体提供扩散通道，因此需要对其加以控制，使微连通度小于2.0 nm。 3 应用导向 除这些普通的考虑外，低k材料的开发与应用的关系非常密切，往往要满足一些额外的需求。例如，在逻辑器件应用方面，理想的薄膜应该是孔隙率有限的ULK薄膜。然而，当前的开发中，为达到期望的k值，却不得不增加孔隙率。 存储器应用跟随着逻辑器件的路径，并有大约5年的延迟。在这种情况下，低k薄膜必须能经受住较高的电压操作，典型的电压约为15V，并且需要较高的机械性能和超过15GPa的弹性模量。特殊存储器的应用如闪存，根据所采用的工艺而定，可能需要高热稳定性和高场强下的经时绝缘击穿（TDDB）性能。 4 集成方案 铜和低k薄膜的集成变得更加复杂，因为集成工艺对铜电阻系数和有效k值都有影响，在此过程中，工艺参数统计波动的相对重要性持续上升。此外，定义正确方法的难度不可忽视，此方法将问题的基本方面与不完美的工艺分离，因此可能得到对 “互连”的真实评估。对合适的IC后道（BEOL）集成方案来说，选用每种特定的初始材料都需要考虑这些因素。 如果只是纯粹考虑铜大马士革集成中工艺引起的低k膜的损伤，我们知道随着k值的降低，薄膜对物理和化学损伤更加敏感。工艺导致的损伤被证明是集成结构中k值局部增加和/或可靠性降低的原因，这会消弱采用k电介材料的优势。工艺引发的低k膜损伤主要发生在等离子曝光过程中——包括刻蚀、去胶和CMP后等离子体清洗。 5 金属硬掩膜层 特定的材料性质和等离子体造成破坏的程度之间有什么样的关系，目前尚不清楚。在IMEC，主要是通过修改集成方案来减轻刻蚀和去胶等离子体操作导致的电介质退化，其中包括栅叠层选择，等离子体化学的选择，以及刻蚀与去胶的工艺顺序。对于孔隙率小于10%的低k薄膜，应用光刻胶掩膜（RM）集成方案；对于孔隙率比较高的材料，IMEC转向金属硬掩膜（MHM）集成方案（图1）。  按此集成方法，在图形化过程中损伤会达到最小，接下来，CMP和/或铜还原后的CMP后等离子体清洗过程，以及残留的微粒清除过程也可能损伤介电薄膜。 在此前的研究中，研究人员证明了介电材料的机械性质在CMP后缺陷产生过程中扮演重要角色。他们的研究还表明，为减轻CMP导致的机械损伤，提高ULK 薄膜表面的机械性质会是一种可行的方法。因此在MHM淀积之前，沉积一层很薄的SiC层（约5nm）以增强薄膜的机械性能。其他小组用SiO2作为MHM 淀积之前的沉积材料，这一层通常被称为介电保护层（DPL）。MHM方案应用于高孔隙率和中孔隙率的低k薄膜时，其k值（keff）与体材料k值（刚完成沉积）的差异分别减小至0.0和0.2。（集成方案的品质因数是使△k = keff/k尽可能的小。） 将MHM集成方案移植到高孔隙率材料并不容易。金属硬掩膜下的损伤可能会扩展，导致keff的增加和后续湿法清洗中的线条扭曲。这种现象表明，精心选择的刻蚀、去胶和涉及到等离子体参数和工艺顺序的湿法清洗化学品，是决定最优化解决方案的关键。 提高窄线条的图形化性能，包括损伤和线条轮廓控制。接下来的部分将要介绍与低k薄膜有关的等离子体、湿法清洗和CMP工艺的进展。 6 等离子体损伤 在大马士革集成中，避免线条轮廓扭曲、各向异性刻蚀现象、k值降低、成品率损失和低可靠性都是窄结构刻蚀的最大挑战。正如前文提到的，这些问题大部分起源于低k材料的刻蚀和去胶等离子体过程，并在BEOL工艺流程中被放大。目前正在考虑多种手段来克服这个问题。 一种使用金属或有机材料作为牺牲硬掩膜层的方法正在开发中，可以替代传统的SiO2和SiC无机硬掩膜层。与多孔SiOCH相比，金属和有机材料如 TiN、TaN和富碳层具有完全不同的化学性质，因此在选择性和各向异性刻蚀方面，比传统硬掩膜有更好的性能。但此方案不能完全阻止图形化过程中等离子体损伤的发生，所以需要更加根本地理解损伤机制。 7 低k沉积和光刻胶灰化 实际上，在铜/低k集成中的去胶工艺可以划分为两类主要方法。第一种是基于氧化和还原等离子体化学物质的低温、低压、各向异性光刻胶去胶。等离子体中的活性物质可以完成低温下去胶。然而，活性物质会流动渗透到多孔的含碳低k薄膜，导致碳损耗和后来的亲水化。 第二种去胶方法是在270-320℃的高衬底温度下，利用还原性的化学物质，通过等离子体流完成各向同性去胶。对于这种方法，我们在先进低k材料上研究了He/H2等离子体在各种衬底温度时的效果（图2和3）。低k薄膜通过基于致孔剂的PECVD方法沉积，热辅助紫外修复去除了致孔剂，产生出了孔隙。   低k薄膜仍然是疏水性的，因此He/H2等离子体灰化处理并没有造成任何损害。结果表明，所研究的薄膜没有亲水化转变。此外，He/H2等离子去胶过度可能会提高孔隙率，而改性层不会发生亲水化转变，因此会进一步降低材料的k值。孔隙率的增加与剩余致孔剂的去除有关，并且没有初始材料中致孔剂是否完全去除的标志。然而，因为孔隙率增加能导致薄膜k值的降低，同时机械强度的损失相对较少，因此这种改性非但没有害处，反而是有益的。 8 低k刻蚀和湿法清洗 基于MHM图形化的实质是在刻蚀低k介电材料之前，将光刻胶去胶与等离子体刻蚀和灰化分离开。在光刻胶掩膜方案中，低k介质首先被刻蚀然后进行光刻胶去胶，必须严格遵循这个次序。相反，在MHM方案中，预期的图案被转移到MHM上，然后在刻蚀低k介质之前就可以去除光刻胶，或者先刻蚀低k材料然后去除光刻胶。在后一方案中，两个工艺步骤是独立的。光刻步骤的参数与介电材料无关。  这种方法限制了薄膜暴露在等离子体中的次数，同时低k薄膜在去胶过程中被损坏的部分，也在刻蚀工艺中被去除了。然而，随着孔隙率的增加，灰化引起的损伤在MHM下逐渐扩大，而无法被刻蚀去除（图4a）。损伤部分在刻蚀后仍会保留下来（图4c），或是在湿法清洗过程中被去除（图4b和 4d），这取决于所使用的化学品。例如，在使用HF清洗时，钻蚀的出现（图4f）会影响线条形貌和阻挡层台阶覆盖。损伤性较低的刻蚀化学品可能会在沟槽的侧壁和MHM上留下聚合物层。 必须对这些高分子层加以注意，将其完全清除才能阻止电良率的降低，尺寸低于100nm的情况尤其如此。图5展示了线条尺寸从150nm降低到90nm时，成品率损失的情况。这种现象能否得到增强，主要取决于低k介电材料的化学性质。对于一个k值约为 2.5、基于致孔剂、采用PECVD生长的ULK薄膜来说，这个问题可以通过刻蚀后的清洗步骤加以解决。由于低k介质的等比例微缩，需要考虑更高效的湿法清洗化学品。 9 化学机械平坦化导致的损伤 为研究CMP引发的损伤，需要开发出可靠的测量方法，首先是找到合适的测试工具。理想状态下，测试工具必须同时考虑CMP耗材、阻挡层和铜以及介电薄膜。一种途径是通过部分图形化方法产生类似国际象棋棋盘的结构，在晶圆的中心和边缘区域留下大片开阔区域。这种结构允许在同一晶圆上表征无图形的空白薄膜和有图形的集成结构。  与低k材料表面相接触的金属层，可以是铜阻挡层或者MHM，这将影响到CMP后缺陷的形成和随后的亲水化过程。然而，这种损害的机制是可逆的。有些方法可以修复经过标准CMP和CMP后清洗工艺的低k材料。 直接CMP（无硬掩膜保护）之后，对于去除残留的有机物和吸附在ULK材料表面的水，退火方法被证明是十分有效的。然而，因为抛光表面的亲水性仍没有改变，它不能阻止水分吸附引起的k值增加。因此，为恢复疏水性和稳定表面，含有氯 硅烷反应基（-SiMenCl3-n）或者疏水甲基官能团的有机分子被以液相、气相或致密二氧化碳相的形式引入到损伤的ULK材料中。 这些有机处理对于恢复CMP处理后的ULK材料表面的疏水性都十分有效。然而，它们中只有一种能够维持低k值（与体ULK材料的k值相比），并且能够保持长时间稳定而不导致孔隙率的重大变化。 值得指出的是，这些修复溶液只能用于CMP导致的损伤。推荐的特别解决方案是由紫外修复方法提高ULK材料的性质、在ULK介质/金属界面嵌入“硬”保护层和仔细选择金属层组成。 尤其特别的是，如果用TaN作为铜阻挡层和/或MHM层，则推荐使用高机械强度的介电保护层以阻止CMP引发的损伤。通常，介电保护层由k值大约为 3.1-3.5、杨氏模量约为23GPa的致密SiCO:H薄膜或者PECVD 生长的SiO2薄膜组成。PECVD生长的中孔隙率ULK薄膜已经证明了TaN MHM和DPL联合使用的优点。DPL对渗漏和击穿性能具有正面影响，在热循环中没有观察到漏电流发生重大变化。这可归因于CMP抛光过程中湿气在ULK 材料里的吸附和解吸附，它是CMP抛光过程中刮擦和亲水化的结果。该结果表明DPL保护ULK薄膜免受CMP引发的损伤。 在存在和不存在DPL的情况下分别进行TDDB测量。存在DPL时，测试表明使用寿命可达10多年。而无DPL时候，经很短的时间便失效了。 10 CMP后清洗造成的损伤 最终，可以证明用于CMP后清洗的等离子体有利于提高互连可靠性。它使铜表面被还原，提高了对电介质层的粘附力，并去除了剩余的微粒。对致密的低k薄膜来说，氨等离子体是一个标准选项。然而，在低k介质等比例微缩时，纯氨等离子体会造成严重的场损伤（图6）。  为修复铜还原导致的损伤（等离子体损伤的证据），使用了He-NH3基的等离子体，有效减少了沟槽间的碳损耗。 在CMP后清洗中，使用传统NH3等离子体在孔隙率超过25%时会达到极限，因此NH3等离子体之前用氦等离子体对介电材料表面进行预处理是个很好的方法，可以获得最小的损伤和较好的与介电材料衬垫的粘附力。 11 结论 选择一个互连方案时，需要结合材料性质与单元工艺进行深入研究。最重要的是，需要在其相互作用、器件性能及可靠性之间建立清晰的联系。今天，对于k值为 3.0-2.5的绝缘层，目标是降低CD，且维持性能和可靠性。对于k<2.5的绝缘层，重点在于发展孔隙率小于25%的ULK薄膜。 |
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