ULSI铜互连线微观结构和应力研究

【摘要】： 本论文从ULSI铜互连技术可靠性研究中的铜扩散失效问题出发，针对电徙动失效、应力迁移失效、层间扩散失效问题，对铜互连线的微观结构和应力进行了研究。铜互连线微观结构研究包括铜薄膜晶粒尺寸和织构的研究以及扩散阻挡层的研究。铜互连线的应力研究包括铜互连线薄膜的宏观应力测量，计算机的应力模拟和铜互连线的局域应力分布观察。 1．铜互连线的微观结构的研究：通过AFM、SEM、TEM等的分析方法对铜膜及铜互连线薄膜的晶粒尺寸进行了评价。结果显示热处理后铜膜晶粒长大，但铜互连线薄膜由于沟槽结构对晶粒的长大有阻碍作用。利用XRD和EBSD测试方法对铜膜及铜互连线薄膜的织构进行评价。在沉积态铜膜存在较强的铜{111}织构，热处理以后铜膜的织构减弱，铜互连线沟槽中铜{111}织构要弱于铜膜的铜{111}织构。通过XPS和AES分析新型的扩散阻挡层SiON及Ta和SiON双层结构的扩散阻挡层，结果显示两种扩散阻挡层可以有效的防止铜向SiO2层的扩散。 2．铜互连线的应力研究：讨论了铜互连线中应力的产生及铜互连线应力与微观结构的关系。利用薄膜应力测试分布仪和XRD测量硅基铜膜及铜互连线薄膜宏观应力。对测量结果的分析得出金属薄膜的淀积是造成铜互连线中应力的主要原因，热应力在铜互连线应力中占较大比例，热处理后铜互连线中应力减小。利用计算机模拟了温度场变化引起的铜互连线中热应力分布。模拟结果显示在铜互连线中存在较大的应力并且铜互连线沟槽结构的变化对热应力的分布有影响。最后利用SNAM对热处理前后的铜互连线局域应力分布进行的观察，其结果和计算机模拟的结果符合很好。