銅在去離子水中的蝕刻研究

引言

我們?nèi)A林科納描述了一種與去離子水中銅的蝕刻相關(guān)的新的成品率損失機(jī)制。在預(yù)金屬化濕法清洗過程中，含有高濃度溶解氧的水會蝕刻通孔底部的銅。蝕刻在金屬化后殘留的Cu中產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致受影響的陣列電路中的高電阻和功能故障。去離子水中的溶解氧濃度必須最小化，以防止銅的蝕刻。

介紹

與鋁互連相比，銅互連具有更高的電阻率和可靠性，因此在微電子行業(yè)獲得了廣泛認(rèn)可。然而，存在許多與銅金屬化相關(guān)的產(chǎn)量問題，尤其是在濕法化學(xué)清洗期間的穩(wěn)定性方面。在與化學(xué)機(jī)械拋光(CMP) 或通孔蝕刻相關(guān)的濕法清洗后(即在蝕刻停止移除之前)[5]，經(jīng)常會觀察到銅的腐蝕或蝕刻。

已經(jīng)報(bào)道了三種不同類型的銅互連腐蝕；光腐蝕、電偶腐蝕和化學(xué)腐蝕。要發(fā)生腐蝕，至少需要兩個(gè)反應(yīng)；陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)。在陽極，金屬表面被氧化，形成金屬離子和電子；

銅(s) d Cu2+ + 2e- (1)

在陰極，電子被幾種可能的電子消耗

此外，陽極和陰極之間必須有電連接，并且必須有電解質(zhì)與陽極和陰極都接觸。

銅互連的腐蝕通常取決于圖案。當(dāng)Cu電連接到襯底中的p型Si區(qū)時(shí)，在光的存在下觀察到光腐蝕。連接到p型硅(陽極)的銅比連接到n型區(qū)域(陰極)的銅處于更正的電位，使其更容易受到腐蝕。光允許電流流過硅并完成具有電解質(zhì)的電化學(xué)電池，提供腐蝕發(fā)生所需的電荷載體，在等式和中)。

銅的蝕刻通常與去H2O沖洗有關(guān)。起初，這似乎是一個(gè)令人驚訝的結(jié)果，因?yàn)榈螲2O

通常被認(rèn)為是一種無害的清潔處理。然而，在電化學(xué)文獻(xiàn)中，眾所周知，在氧氣存在下，銅在H2O中是熱力學(xué)不穩(wěn)定的(圖1)。如果去H2O中存在氧，它會消耗銅溶解產(chǎn)生的過量電子(分別為方程式2b和1)，從而使銅腐蝕繼續(xù)進(jìn)行。銅在去離子水H2O中的腐蝕速率取決于溶解氧濃度、溫度和pH值，溶解氧濃度為200至300 ppb時(shí)的最大腐蝕速率。在去離子H2O中使用溶解氧被認(rèn)為是提高化學(xué)機(jī)械拋光后清洗效果的一種方法(即更有效地去除表面的銅污染物)。然而，去離子H2O中的高氧濃度會在CMP后清洗過程中造成腐蝕。通孔蝕刻后DI H2O沖洗液中銅的蝕刻也與“清洗液中的氧氣”的存在有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)

樣品采用0.13 ?m CMOS工藝制造，在FSG電介質(zhì)中采用過孔優(yōu)先雙鑲嵌Cu。金屬化前的預(yù)清洗包括稀HF和去離子水沖洗。

在完全集成的邏輯芯片上檢測到電氣故障。使用掃描鏈方法定位產(chǎn)品芯片中故障的電位置。掃描鏈嵌入在邏輯電路中，以測試電路的小子集。添加額外的測試引腳，為電路的關(guān)鍵部分提供輸入和輸出。當(dāng)在掃描鏈中檢測到故障時(shí)，故障區(qū)域相對較小，因此可以通過分層技術(shù)容易地檢測到。

不合格的芯片被分層，然后通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和掃描透射電子顯微鏡(STEM)進(jìn)行分析。使用能量色散譜(EDS)分析了STEM中失效結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分(JEOL，2010F)。TEM樣品制備包括剝離至V1，用SiO2覆蓋以保護(hù)表面，然后使用聚焦離子束(FIB)研磨從感興趣的區(qū)域提取薄樣品(150 nm)。

討論

濕法清洗過程中銅的蝕刻是專用陣列電路所獨(dú)有的。沒有這種陣列的其他電路具有高產(chǎn)量(圖2)。因此，特殊陣列中的下層硅會導(dǎo)致腐蝕。這一點(diǎn)通過運(yùn)行一些晶片得到了證實(shí)蝕刻不足。自動光學(xué)顯微鏡檢查顯示在M1中沒有空隙，表明如果M1是浮動的，就不會發(fā)生銅的蝕刻。

已知水中溶解的氧氣會增強(qiáng)銅的腐蝕(圖1)。因此，研究了M1銅中空隙的形成作為去離子水沖洗中O2濃度的函數(shù)。自動光學(xué)顯微鏡檢查顯示，可以通過最小化去離子水中的O2含量來消除空隙。這通過在具有高百分比的特殊陣列的掃描鏈上的電測量來證實(shí)(圖8)。這也是特殊陣列中M1銅的蝕刻顯然與水沖洗中的高O2濃度有關(guān)。

然而，確切機(jī)制仍不清楚。至少有兩種可能；電偶腐蝕和結(jié)強(qiáng)化腐蝕(圖9)。

由于水中氧氣濃度較高，預(yù)計(jì)銅相對于鉭襯里的電偶腐蝕會增強(qiáng)。所有表現(xiàn)出腐蝕的M1圖案都具有最小寬度的線，因此鉭和銅暴露在通孔底部的預(yù)清洗中。對于這種機(jī)理，銅是陽極，鉭是陰極。O2的作用是消耗Ta陰極的電子(圖9中的方程式(2b)和反應(yīng)(a))。然而，還有許多其它部分接地的過孔，其中的M1金屬不會被腐蝕，因此Si中的底層結(jié)肯定也起了作用。

下面的硅結(jié)的作用類似于光腐蝕中的結(jié)的作用。連接到p型結(jié)的Cu處于比連接到n型區(qū)的Cu更低的電位(因此更高易受腐蝕)，如果向結(jié)施加偏壓的話。向結(jié)施加偏壓的一種方法是用光。

然而，即使在沒有光的情況下也觀察到M1銅的蝕刻，這表明光蝕刻不是機(jī)理。更可能的機(jī)制是O2在連接到n型區(qū)域的Cu處消耗電子，從而偏置結(jié)。

結(jié)論

我們?nèi)A林科納描述了一種新的成品率損失機(jī)理，它與去離子水中銅的腐蝕有關(guān)。在預(yù)金屬化濕法清洗過程中，含有高濃度溶解氧的水會蝕刻通孔底部的銅。蝕刻在金屬化后殘留的Cu中產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致受影響的陣列電路中的高電阻和功能故障。去離子水中的溶解氧濃度必須最小化，以防止銅的蝕刻。

審核編輯：符乾江