杂质也能提高器件可靠性
几乎所有类型的杂质,从刻蚀残余物到化学机械抛光(CMP)后产生的缺陷,都会对器件的可靠性产生消极作用。但偶尔也有例外,台积电有限公司(TSMC)的工程师们最近发现,巧妙地使用化学电镀(ECP)添加剂可沿铜晶界形成杂质,可以抑制应力导致的空洞(SIV)失效现象。TSMC的C.H.Shih及其同事在今年6月举行的“IEEE国际互连技术会议”上,首次报告了晶界杂质堆积对可靠性的积极作用。
研究小组的报告称,通过改变ECP添加剂的结构和浓度,可使SIV减少一个数量级,且具有良好的电迁移(EM)电阻。不使用合适的添加剂,可能会沿铜线形成规则的铜蚀斑。一旦附加应力,通孔下面的宽铜线上最容易形成空洞。这一现象产生的机理是由于铜的体积收缩以及空位沿铜晶界的扩散。采用TSMC的方法,沿晶界形成的杂质能起到空位扩散势垒的作用。
研究使用了A和B两种添加剂,两者分别为具有小和大分子量的阳离子聚合胺。对于A添加剂来说,可使用聚合物清除碳、硫磺和氯气杂质,从而使碳、硫磺和氯气的浓度分别增加2倍、3倍和4倍。使用硫磺和氯气可形成填隙固溶体。工程师假设,在铜晶体生长以及而后在晶界的堆积过程中,杂质从填隙位置迁移到相邻的空位。
TSMC对空白晶圆和双大马士革结构进行了测试。在应力迁移(SM)测试结构中,0.11um上层金属线通过0.1um通孔与具有多种线宽的下层金属线相连。添加高浓度添加剂A可使0.1um沟槽上的铜蚀斑显著增加。较高的添加剂浓度将使EM T50的寿命下降50%。随着下层金属线宽的增大,SM失效增加。然而,对于相同线宽的下层金属线,失效率随添加剂浓度的增大而下降。通过观察电路的电阻漂移和SM寿命可以发现,增加添加剂A的浓度可改进SM的寿命。由于蚀斑可降低EM的寿命性能,使用这种添加剂应对如何抑制SM以及获得更好的EM进行权衡。
比较而言,添加剂B中较大的聚合物不易填入小特征尺寸的沟槽中(图1)。
铜杂质能级更趋向于集中在宽金属线中,具有好的缝隙填充优势。在没有形成蚀斑的情况下实现了高杂质浓度。结果与高浓度添加剂A相关的SIV现象也得到改进(图2),这就进一步证实了晶界的杂质堆积可作为空位扩散势垒的假设。添加剂B的EM寿命性能也优于添加剂A。采用添加剂B,EM寿命不会随添加剂浓度的增大而下降,应力导致的空洞现象也得到了更有效的抑制。
以前认为阳离子聚合胺基添加剂主要用于辅助铜互连的缝隙填充,最近还证实了其对抑制SIV形成以及改进EM性能的积极作用。虽然在多层铜互连中EM的主要扩散通路是位于铜/介质势垒界面处的界面扩散,已证实铜的微结构和本体特性与界面电迁移密切相关。应力导致的空洞这一特性可以通过对ECP添加剂的适当设计得到改变,但其效果在以前的工作中还没得到充分的检验。
