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1、申请上海交通大学工程硕士学位论文电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响学校代码：10248作者姓名：黄涛学 号：1082102058第一导师：汪辉第二导师：胡平学科专业：微电子工程辩论日期：2021年05月12日上海交通大学微电子学院2021年05 月A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for Master Degree of EngineeringREDUCE COPPER METAL LINE PITS DEFECT BY OPTIMIZE EELECTRICITY COPPER PLATING PROCESS
2、University Code：10248Author：Huang TaoStudent ID:1082102058Mentor 1Wang HuiMentor 2:Hu PingField：Micro-electronics EngineeringDate of Oral Defense：2021-05-12School of Micro-electronicsShanghai Jiaotong UniversityMay, 2021 上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何
3、其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承当。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或局部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。请在以上方框内打“学位论文作者签名： 指导教师签
4、名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响摘 要随着半导体器件尺寸的不断缩小，互连对芯片速度、可靠性、功耗等性能的影响越来越大。互连材料和工艺技术的改良成为集成电路技术进步的重要关键之一。后端互连技术，已经逐步从铝互连过渡到铜互连。在0.13m及其以下的技术节点中，铜互连技术已经成为主流。在我们引入电镀铜工艺的同时我们也不得不面对电镀铜后的一些铜线工艺所特有的缺陷, 如铜线和低K值介电质可靠性问题，电镀铜后产生的孔洞缺陷等问题。本文通过对金属层孔洞缺陷产生机制的一些研究分析，针对电镀铜工艺进行比照实验，优化其制备工艺。通过研究在电镀铜工艺中不同转速，不同退
5、火温度的铜金属层的电阻率和内应力, 及电镀后到化学机械研磨之间等待时间，进行工艺参数的调整,找到了几种有效解决铜金属层后孔洞缺陷的方案。在本项研究工作中，根据实际生产应用降低本钱，提高效益的需求，选取了低转速的电镀铜工艺和控制电镀后到化学机械研磨之间等待时间方案应用到实际生产工艺中。使产品的缺陷降低，成品率和可靠性得到了有效提升。关键词：铜互连，电镀铜工艺，铜孔洞缺陷，退火，成品率REDUCE COPPER METAL LINE PITS DEFECT BY OPTIMIZE EELECTRICITY COPPER PLATING PROCESSAbstractWith the down-sc
6、aling of the device, backend interconnection plays as a much more and more important role for the density, speed, power and reliability of the chip. The improvement of interconnect material and interconnect technology become a key point of the progress of semiconducting manufacture technology. After
7、 0.13m technology node, Cu line has replaces the Al line and become the mainstream technology. We have to suffer some Cu line issue when after we use Cu to replace AL. Such as the reliability with CU and low K dielectric, post CMP Cu line pits defect. In this paper, by studing the mechanism of Cu me
8、tal line pits defect, and comparing the experiments result of ECP process, the whole ECP process is optimized. The metal line resistivity and stress under different rotation speeds and anneal temperature, and the different Q-time from ECP to CMP are studied, finally find out several kinds of optimiz
9、ed ECP process which can improve the defect with differnet best process parameters. Considering the cost and benifet during mass production, we selected the low rotation speed ECP process and control ECP to CMP Q-time as the final solutions to implement into the process, which can significantly redu
10、ce the defect and improve the yield and reliability for production.Keywords: Copper interconnect technology, ECP, Copper pits, anneal, yield目 录1. 绪 论11.1半导体互连工艺现状及趋势21.2 从铝互连到铜互连31.3 铝互连与铜互连的不同工艺流程52 电镀铜工艺62.1电镀铜工艺根本概念62.2 电镀铜工艺机理62.3 化学添加剂对电镀工艺的影响82.4 铜金属的自退火效应103.问题描述及实验目的113.1铜孔洞缺陷导致产品可靠性降低11铜互连中
11、的电迁移及可靠性123.1.2 铜孔洞缺陷于电迁移的关系133.1.3 铜孔洞缺陷产生的几种机理153.2 实验目的163.3 实验材料和工具16材料：16设备和仪器：163.4 实验内容173.4.1.镀铜工艺不同的电镀时转速之间的比照实验17电镀后到化学机械研磨CMP之间等待时间比照实验173.4.3.电镀后退火温度,时间等参数的调整的比照实验184. 实验结果及分析讨论194.1不同的电镀时转速实验结果分析194.2 电镀后到化学机械研磨之间等待时间实验结果分析234.3电镀后退火温度,时间调整的比照实验结果分析244.4 工艺窗口选择确认265 总结27参考文献29致 谢1攻读学位期间
12、发表的学术论文目录21. 绪 论在半导体制造业中，铝及其合金在很长的时期里被广泛采用，实现由大量晶体管及其他器件所组成的集成电路互连。但是，随着晶体管尺寸的不断缩小，原本应用了几十年的铝互连工艺，已经不能满足集成电路集成度、速度和可靠性持续提高的需求。随着器件尺寸的缩小，后端互连的尺寸也等比例的不断缩小，导致互连电阻不断升高，这势必需要寻求电阻率较低的金属。而铜相对于铝及铝的合金的电阻率较低。而且，传统的铝布线工艺制作的器件经常会因铝的电迁移而失效。虽然在铝中掺入一定比例的铜会对这个问题有显著改善，但是随着互连尺寸的进一步减小，电流密度的不断增加，电迁移问题将会越来越严重。因此在深亚微米工艺中
13、 ( 0 .1 8m及以下) ，铜逐步代替铝成为硅片上金属化布线的材料。铜与传统的铝及其合金相比在很多方面有着显著的优势。比方说铜的电阻率较之铝要低，甚至只有铝铜合金的一半左右含0.5%铜的铝合金电阻率约为3.2-cm, 而铜为1.678-cm。较低的电阻率可以减少后端互连的RC延时，也可以降低器件的功耗。铜的电迁移特性远好于铝。并且，镶嵌方式的铜互连后端工艺流程简化，本钱降低。因为使用铜互连的芯片在各方面的性能有这么明显的优势，所以铜已经逐渐取代铝成为后端金属化的主要材料。后端互连技术，已经逐步从铝互连过渡到铜互连。在0.13m及其以下的技术节点中，铜互连技术已经成为主流。 在引入电镀铜工艺
14、的同时我们也不得不面对电镀铜后的一些铜线工艺所特有的缺陷，如铜线和低K值介电质可靠性问题；电镀铜后产生的孔洞缺陷。作者在工作过程中，就遇到了电镀铜后产生的孔洞缺陷问题，结合300mm 铜互连工艺的实际内容，本文要讨论的，就是如何通过不同电镀铜工艺的比照，工艺参数的调整优化，来改善和减少电镀铜后孔洞缺陷，提升产品良率，改善产品可靠性。1.1半导体互连工艺现状及趋势集成电路后端互连技术的主要功能是将密布于芯片各处的几十万上百万个半导体器件连接整合起来，以实现千变万化的集成电路的设计功能。后端互联技术对集成电路的主要影响在于响应速度以及可靠性。集成电路的设计尺寸、连线线宽，线高，都在在摩尔定律的驱使下不断缩小，之后，CMOS晶体管的运作速度将因信道长度的缩小而加快，但是多重互连的部份，那么会因为RC时间延迟的效应，以约线宽每缩小0.7倍便延长RC延迟一倍的速度而趋缓。 图1.1-1所示显示了器件尺寸缩微对本征延时Gate-Delay以及互连延时带来的变化。我们可以看到，随着器件尺寸的缩小，本征延时不断下降，晶体管本身速度不断提高。但是
