Cu互连线显微结构和应力的AFM及SNAM分析

摘要

Microstructure and sub-micron sized stress distribution of the Cu interconnects with damascene architecture was analyzed via atomic force microscope (AFM) and a scanning near-field acoustic microscope (SNAM). The architecture-induced mechanical stress and deposition-induced thermal stress affect the grain microstructure of Cu interconnects, hence affect the reliability of the Cu interconnects.%在ULSI中采用Cu互连线代替Al以增加电子器件的传输速度和提高器件的可靠性.Cu的激活能约为1.2eV,而Al的激活能约为0.7eV.Cu互连线寿命约为Al的3～5倍.Cu大马士革互连线的制备工艺为:在硅衬底上热氧化生成的SiO2上开出凹槽,在凹槽中先后沉积阻挡层Ta和晶种层Cu,然后由电镀的Cu层将凹槽填满.最后采用化学机械抛光将凹槽外多余的Cu研磨掉.Cu互连线的尺寸为:200μm长,0.5μm厚,宽度分别为0.35、0.5、1至3μm不等.部分样品分别在200℃, 300℃和450℃下经过30min退火.利用原子力显微镜(AFM)和扫描近场声学显微镜(SNAM),同时获得形貌像和声像,分析了Cu大马士革凹槽构造引起的机械应力和沉积引起的热应力对Cu互连线显微结构及可靠性的影响.SNAM是在Topometrix公司AFM基础上建造的实验装置,实验采用的机械振动频率在600Hz～100kHz之间.分析测试结果如下:1. AFM和SNAM可以实现对微米和亚微米特征尺寸的Cu互连线的局域应力分布和显微结构的原位分析.2. 采用AFM、TEM、XRD观察和测试了Cu互连线的晶体结构,分析了大马士革凹槽工艺对Cu晶粒尺寸及取向的影响.平坦的沉积态Cu膜的晶粒尺寸约为100nm;而由大马士革工艺制备的凹槽中的Cu互连线的晶粒尺寸约为70～80nm,凹槽结构抑制了晶粒生长.平坦的沉积态Cu膜有较强的(111)织构;而凹槽中的Cu互连线的(111)织构减弱,(200)和其它的晶体取向分量增强.3. SNAM声阻尼信号对材料局域应力的变化敏感,SNAM声图衬度可显示出局域应力的分布.在沉积态的Cu互连线声图中,金属和SiO2介电层的界面处像衬度强,表明该处为应力较高的区域.而在退火后的Cu互连线的声图中,金属和SiO2介电层的界面处像衬度弱,表明退火后该处应力减小.我们对Cu膜进行了宏观应力的测试,退火后应力值从沉积态的661MPa减少至359MPa.这与SNAM声成像的结果相符合.