论文研究-电镀铜工艺中孔洞缺陷失效机理探究 .pdf

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电镀铜工艺中孔洞缺陷失效机理探究,周峻晨,程秀兰,电镀铜工艺在线宽越来越小的背景下面临诸多缺陷问题,孔洞缺陷就是其中较常见也是较难解决的缺陷问题之一。本文运用分批实验的方
山国武技论文在线 Cathod afer SOA Cu 2+ Cu Cu 2 H+ H+S042 Cu H Cu So Cu 2+ Cu2 Cu Cu Cu 2+ Cu中 Cu 2+ Cu SO! H+50. SO,2- H+Cu 2 Cu H+ Cu H SO,2 Copper Anode Placing solution: -.F Cuso. H,504 图电镀槽示意图 电镀添加剂 酸性硫酸铜镀液的辶要成分是:硫酸铜、硫酸、盐酸和有杋添加剂。 硫酸铜是提供铜离子的主盐,其浓度对镀液分散能力有很大影响。一定量的硫酸冋以提 高镀液的电导率并通过同离子效应,降低其有效浓度,提高阴极极化,改善镀液分散能力。 有机添加剂主要分为促进剂( )和扣制剂( )及平坦剂( 类。添加剂之间往往还有协同作用,如果镀液中没有离子,抑制剂将不能很好的吸附 于铜衣面。 三类有机添加剂由于其分子大小的不同,作用于硅片表面的位置也不同。分子量较小且 活跃的促进剂,可以轻松的进入沟槽底部,帮助铜离子更快的填充底部区域。抑制剂则吸附 在沟榑边缘,防止沟槽还未填满,而沟槽的开口端已被封闭,提前封口造成缺陷。最后是平 坦剂,均匀表面镀铜,使其平整化。 晶圆夹具 晶圆有机械于臂传送至电镀槽内后,由夹具夹住后浸入溶液开始电镀。如图所小, 夹只部件爆炸图 图夹具部件爆炸图 山国武技论文在线 在夹具的周围一圈分布着平均的接触环( ),其总用是均匀的向晶圆加负电。 如图所示,接蝕环与晶圆的位置关系,接触环负责传输电流。密封环( 橡胶材质, 负责在溶液中时保护接触环不被电镀到。 Wafer p sea 1mm 图接触环及密封环 清洗 晶圆在完成电镀之后经过简单冲洗,从溶液中取出后进入清洗槽。在这里将完成对晶圆 表面溶液的清洗,及洗边工艺,最终以高速旋转的方式将晶圆甩干。 在电镀铜工艺之后的化学研磨工艺,因为其工艺设备设计很难清洗掉晶圆边缘部分且因 为铜本身的黏附性较差容易剥落,所以在清洗槽中加入∫洗边工序,使用硫酸及双氧水将边 缘毫米的铜去除。如图所示,即为洗边过程示意图。 copper seed 1. Wafer with barrier/seed 2. Electrofill process with clamshell edg exclusion(2 mm) 3. Bevel etch of seed only 4. Completed wafer with copper-free bevel 图洗边过程示意图 退火 完成清沈及洗边工作后,晶圆将在退火炉中完戊退火,升温至摄氏度左右,再迅速 降至室温,使铜膜更为致密,晶格尺寸快速增大,使其在之后的工艺过程中更稳定 山国武技论文在线 电镀铜过程中的孔洞缺陷 般而言,孔洞缺陷会在化学硏磨之后发现,因为孔洞经过研歴后,形成凹陷,通 过扫描电镜找到,也有少效情况孔洞岀现在沟槽较深的位置,是到最终电性测试时才发现的。 孔洞缺陷的出现,即意味着这根铜互联线的中间有个气泡,其导电性能大打折扣,甚者 或断路。如图所示,即为切片时,亮场检测时的孔洞缺陷。 图孔洞缺陷示意图 而且此时的铜种籽层已经使用过且无法补长,因此孔洞缺陷的报废率是较高的。同时也 浪费了生产产能。如果可以改善孔洞缺陷,那么将大大提升整体良率。 孔洞缺陷失效分析 就电镀铜工艺本身而言,排除了前道的铜种籽层可能带来的干扰因素外,最有可能发 生问题的模块就在之前提到的电镀槽中。 分析电镀槽内的主要部件,发现晶圆夹具的转速、浸入溶液的深度、溶液中的添加剂浓 度配比可能会对电镀造成影响。 设计如下实验:制备后段模拟晶圆,沟槽宽度控制在,深度在 。为排除铜 种籽层本身的影响,特备沟槽側壁较厚的的铜种籽层。分别进行转速、浸入深度、添 加剂浓度的分批实验。之后经过化学研磨,通过亮场检测仪查看缺陷数量 转速与孔洞缺陷的相关性 正常工艺执行的转速是转每分钟,在此条件下溶液中的铜可以充分沉积到晶圆表面。 尝试改变这个条件,观察结果 通过表数据分析得出,转速的变化对孔泂缺陷没有影响。 表转速与孔洞缺隋相关性实验 山国武技论文在线 浸入溶液深度与孔洞缺陷的相关性 正常工艺执行时,晶圆浸入溶液距离约毫米。在确保晶圆刭达底部的安全距离在 毫米之后,尝试改变浸入溶液深度,观察结果 通过表数据分析得出,浸入溶液深度的变化对孔洞缺陷没有影响。而在之后的厚度量 测时发现,浸入溶液的深浅对镀铜膜的均一性有所影响。 表浸入溶液深度与孔洞缺陷相关性实验 添加剂配比与孔洞缺陷的相关性 正常工艺执行时,加速剂抑制剂平整剂的配比为。考虑到平整剂主要工作范围是 在沟榑填满之后。因此本次实验只针对加速剂及抑制剂的配比进行调整。 由表中数据分析得出,加速剂在抑制剂浓度不变的情况下不断增加是会造成孔洞缺陷 的。 表添加剂浓度配比与孔洞缺陷相关性实验 由表中数据,没有抑制剂的情况下,孔泂缺陷剧增。而在髙浓度加速剂的环境下,抑 制剂的添加时有减少孔洞缺陷的作用的。 表添加剂浓度配比与孔洞缺陷相关性实验 孔洞缺陷的失效机理 通过上述实验,可以得出结论:外部条件相同的情况下,加速剂与抑制剂的配比对于孔 洞缺陷的影响较大。 结合加速剂与抑制剂的特性,加速剂由」其木身为有札硫悛盐,与抑制剂和平整剂等有 机聚合物大分子相比,其体积小得多,且其本身较为活泼。在电镀初期即可迅速附着于铜表 面,并迅速促进铜的生长。当沟槽底部被加速剂大比例的占据以后,抑制剂则依附于其上部, 恰是沟槽开口处,抑制开口处铜的快速生长。而当加速剂的浓度远远大于抑制剂的浓度时 沟槽内部由亍加速剂的作用全方位开始迅速地生长铜。而由于沟槽宽度较深,底部的铜生长 山国武技论文在线 还未及开∏处吋,压∏处的铜已长完,提前封∏,造成空洞缺陷 结论 木文给出了电镀铜工程中产生孔洞缺陷可能由添加剂的配比导致。另外还分析了孔洞缺 陷主要原因基本可以分为三类:,铜种籽层污染,作为电镀铜的溟头,如果种了没有长 好,那么之后的铜也无处可长。二,添加剂的配比不平衡,导致沟槽开口处的铜沉积快于底 部的沉积速度,造成提前封口形成孔泂缺陷。三,长有铜种籽层的晶圆浸入溶液时,与酸性 溶液反应造成腐蚀 希望后续硏究可以针对这些失效模式继续研究,寻找出最佳方案解决空洞缺陷。 致谢 感谢中芯国际集成电路制造(上海)有限公司及泛林半导体设备技术有限公司提供实验 的场地和数据。 参考文献 夏冰摩尔定律还能延续年中国经济和信息化 辜敏杨防祖黄令超大规模集成电路屮的电沉积铜电镀与精饰 蔡积庆电镀铜屮添加剂的吸附机理解析印制电路信息 李学明凸状电极改善阴极火具以确保基板图形电镀形成均匀的镀层厚度电子电路与贴装 奚民伟 铜互连工艺的研究和改善 黄涛电镀工艺优化对铜金属层孔洞缺陷的影响上海交通大学 优化铜种子层对电镀铜孔洞缺陷的改善复旦大学

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