電漿離子佈植及無電鍍系統應用於超大型積體電路之銅製程研究

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研究生：	謝維仁 Wei Jen Hsieh
論文名稱：	電漿離子佈植及無電鍍系統應用於超大型積體電路之銅製程研究 A study of copper process in ultra large scale integrated circuit using plasma immersion ion implantation and electroless copper system
指導教授：	施漢章 Han C. Shih
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2001
畢業學年度：	89
語文別：	中文
論文頁數：	96
中文關鍵詞：	無電鍍銅、電漿離子佈植、銅金屬化、積體電路、擴散阻障層
外文關鍵詞：	electroless copper, plasma immersion ion implantation, copper metallization, ultra large scale intergrated circuit, diffusion barrier layer
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本實驗旨在研究利用電漿離子佈植和無電鍍銅系統鍍至銅膜。首先利用電漿離子佈植系統佈植催化層，如:Pd、Cu……等等。以取代傳統鍍製溶液置換還原法，因電漿離子佈植可大面積且均勻性地佈植催化物且可增加銅膜的附著性……等等多項優點，利用其特性來佈植所需的物質，本實驗先後比較改變電漿離子佈植參數以至影響到所鍍至的銅膜，並且去做退火處理，分別各個影響因子做探討，並研究出一套銅膜的成長機制，利用各種分析工具加以佐證，並且分析銅膜與TaN擴散阻障層相互之間的關係，隨退火溫度上升已造成均質的TaN層形成晶格化的TaN層提供晶界擴散，並造成銅膜電阻率上升。在銅膜填充能力最好可達深寬比(aspect ratio)=1:7，並顯示出無電鍍法有良好的銅膜披覆性，這些特性及性質將在本實驗中將做詳細的探討。

in the experiment,our purpose was to grow copper thin films using plasma immersion ion implantation and electroless copper systems.First,we implanted catalyst layer ,such as Pd,Cu etc,
using plasma immersion ion implantation in large areas uniformly to enhance adhesion.In the experiments,according to the results of changing different parameters and annealing at different temperature to influence Cu thin films properties,

define the correct Cu growth mechanism.Analyze the relation between Cu thin films and TaN layer using different kinds of analysis tools,such as AES,XRD etc.The best gap filling can fill the trenches and vias which aspect ratio is 1:7 and reveal good step coverage.

摘要
誌謝

目錄……………………………………………………………………..Ⅰ

圖目錄…………………………………………………………………..Ⅳ

表目錄…………………………………………………………………..Ⅷ

第一章       前言…………………………………………………………….1

第二章       文獻回顧……………………………………………………….3

2.1  超大型積體電路(Ultra Large Scale Integration Circuit)內連線(Interconnect)簡介………………………………………………...3

2.1.1 內連線用途及材料需求……………………………………3

2.1.2 銅材料之優勢………………………………………………5

2.1.3 擴散障礙層…………………………………………………7

2.2 無電鍍銅簡介……………………………………………………….8

2.3  電漿離子佈植簡介………………………………………………...9

2.4 無電鍍銅鍍液成份及其作用……………………………………...11

2.4.1 銅鹽………………………………………………………..11

2.4.2 配位劑或錯化劑…………………………………………..11

2.4.3 還原劑……………………………………………………..12

2.4.4  pH調節劑………………………………………………..12

2.4.5  添加劑……………………………………………………13

2.5 無電鍍銅反應機制………………………………………………...13

第三章 實驗步驟………………………………………………………17

3.1  試片準備…………………………………………………………17

3.2  試片清洗…………………………………………………………17

3.3  電漿離子佈植系統製程…………………………………………17

3.3.1  電感式電漿源原理………………………………………18

3.3.2  系統簡介…………………………………………………20

3.3.3  佈植參數…………………………………………………22

3.4  無電鍍法鍍液調配………………………………………………23

3.5  熱處理…………...……………………………………………….24

3.6  試片分析………………………………………………………….25

3.6.1 掃描式電子顯微鏡(SEM)……………………….………..25

3.6.2 X光繞射(XRD)…..………………………………………..26

3.6.3 四點探針…………………………………….…………….28

3.6.4 原子力顯微鏡(AFM)……………………………………..29

3.6.5 附著力測試………………………………………………..32

3.6.6電子背向繞射…………………………………………….33

3.6.7 拉賽福回向散射分析儀..…………………………………37

3.6.8 原子發射光譜儀…….…………………………………….39

3.7 實驗流程簡圖…………….………………………………41

第四章  結果與討論……………………………….………..43

4.1  電漿離子佈植參數影響…………………………………………43

4.2  基材偏壓對填充能力之反應機制………………………………44

4.3  退火對電阻率之影響……………………………………………55

4.4  退火對界面擴散影響之探討……………………………………57

4.5  退火對結晶面形成影響之探討  ………………………………63

4.6  晶粒成長之探討…………………………………………………71

4.7  附著力測試之討論………………………………………………82

第五章       結論與未來研究方向………………………………………...87

參考文獻………………………………………………………………..89

圖目錄

圖 2-1 各種連線技術所需金屬層數隨元件尺寸縮小而增加之趨勢[7]…………………………………………………………….4

圖 2-2 反應過程自由能變化示意圖[70]………………………….….14

圖3-1 平面無圖案結構組成………………….………………………..17

圖3-2 電漿離子佈植系統構造圖(PIII).……………………………18

圖3-3 感應線圈電流與所感應產生之電磁場……………..…………19

圖3-4 高壓脈衝系統示意圖……………..……………………………22

圖3-5 SEM構造示意圖[38]……………………………………………26

圖3-6 X光繞射原理示意圖[38]……………………………………...27

圖3-7 四點探針示意圖…………………………………………...…...29

圖3-8Contact mode AFM 掃描原理..…….…………………………...30

圖3-9 EBSD菊池線產生過程………….………………………………34

圖3-10 EBSD簡要示意圖……………………………………………...35

圖3-11 EBSD各個方向定義…………..………………………………36

圖3-12 EBSD產生菊池線全貌………………………………………...37

圖3-13 RBS簡要示意圖…………………….…………………………38

圖3-14 OES光譜儀分析流程…………………………….……………41

圖3-15 電漿離子佈植及無電鍍銅示意圖……………………………42

圖4-1 因為銅膜成長過快使得氫氣無法逃逸造成trench形成孔洞……………………………………………………………44

圖4-2 無電鍍法鍍製銅膜其披覆性良好可加工在任意形狀的工具上……………………………….………………………………46

圖4-3 在高深寬比中低壓脈衝偏壓亦造成孔洞形成……………….47

圖4-4在基板上為高脈衝偏壓(-4000V)濺鍍之後，無電鍍後銅膜成長

型態可顯示銅膜成長機制為由下而上成長……..……………48

圖4-5脈衝偏壓對trench 和 via的影響示意圖..…………………50

圖4-6為各個不同深寬比的試片銅膜填滿情況………………………54

圖4-7 退火對濺鍍鈀靶材試片無電鍍法鍍上銅膜之片電阻影響，在300oC退火一小時電阻率最低達2.51μΩ-cm，在500oC退火一小時電阻率上升………...………………………………...55

圖4-8 退火對濺鍍銅靶材試片無電鍍法鍍上銅膜之片電阻影響，隨

著退火溫度上升電阻率一直降低，在500oC可達2.252.51μΩ-cm………………………………………………………56

圖4-9 拉塞福回向散射（RBS）分析，No-Cu為沒有鍍銅的試片，只有純粹Ta的訊號，可看出到了500oC，Ta與Pd擴散表面情形，形成一複雜的擴散……………………………………………..58

圖4-10 為各個不同的退火溫度之AES分析…………………………..59

圖4-11 Esca分析Cu膜之化學組態，在without sputter中可看出氧化銅(箭頭處)和純銅的訊號，在sputter30 sec之後幾乎為純銅形貌………………………………………………62

圖4-12 不同退火溫度對以鈀為晶種層且基材為高脈衝偏壓的試片無

電鍍法鍍上銅膜XRD分析結果比較…………….…………63

圖4-13 隨著退火溫度上升，I(111)/I(200)值上升，到300℃達最大值

到了500℃I(111)/I(200)值下降……………………………..64

圖4-14 不同退火溫度對以鈀為晶種層且基材為低脈衝偏壓的試片無

電鍍法鍍上銅膜XRD分析結果比較………………………..65

圖4-15 隨著退火溫度的不同，I(111)/I(200)有些許的變化，300℃以

前並無太大的變化，到了500℃有明顯的改變I(111)/I(200)

值突增………………………………..………………………66

圖4-16 不同退火溫度對以銅為晶種層且基材為高脈衝偏壓的試片無

電鍍法鍍上銅膜XRD分析結果比較…………..…………..67

圖4-17 EBSD分析退火500oC一小時之試片….……………………….68

圖4-18 銅膜成長速率，主要分為兩階段第一階段為前半部成長較快

約180nm/min，為Pd催化。第二階段為後半段約25.4nm/min，為Cu自我催化……………….……………..70

圖4-19濺鍍鈀靶材基材偏壓為高偏壓的試片無電鍍法鍍上銅膜晶粒成長型態……………………………………………………71

圖4-20 濺鍍銅靶材基材偏壓為高偏壓的試片無電鍍法鍍上銅膜之試

片晶粒成長型態………………………………….…………73

圖4-21 ln(d2-d02)對1000/T作圖……………………………………76

圖 4-22 銅膜經25℃退火處理後試片表面AFM立體影像…………78

圖4-23 銅膜經150℃退火處理後試片表面AFM立體影像…………79

圖4-24 銅膜經300℃退火處理後試片表面AFM立體影像………..80

圖4-25 銅膜經500℃退火處理後試片表面AFM立體影像………..81

圖4-26 OES圖譜可知隨著基材負脈衝偏壓增大電漿離化率並沒有明

顯增大……………………………………………………….82

圖4-27隨著基材偏壓愈大附著力性質越好，這是因為偏壓愈大離子

       轟擊效應越大增加試片表面粗糙度，達到嵌合效應……….83

圖4-28 OES圖譜隨電漿功率越大電漿各離子離化量越多………….84

圖4-29隨電漿功率增加離子佈植量漸增增加了銅膜的附著性……85

表目錄

表2-1  金屬材料特性比較[15]...……………………………………….6

表3-1  離子佈植參數及其調變範圍…………………………………23

表3-2  無電鍍銅鍍液組成成份及濃度..……………………………..24

表 4-1  以Pd為晶種層及無電鍍銅之銅膜晶粒成長比較………….76

表 4-2  以Cu為晶種層及無電鍍銅之銅膜晶粒成長比較………….77

表 4-3  退火溫度與粗糙度關係表………………………………….78

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