等離子體蝕刻對(duì)low-k tddb的影響：
在*技術(shù)節(jié)點(diǎn)，后段金屬層的電介質(zhì)間隔縮小到100nm以下，而且為了降低rc延遲而引入的low-k材料使得電介質(zhì)的機(jī)械性能大大降低且缺陷增多，這些不利因素導(dǎo)致金屬互連線間電介質(zhì)的經(jīng)時(shí)擊穿問題越來越嚴(yán)重。前面我們討論過柵極氧化層的tddb問題， low-k的tddb與其類似，但也有很大的不同。一個(gè)是柵極氧化層是縱向擊穿，圖形化工藝步驟對(duì)其影響有限，但后段low-k一般是橫向擊穿，圖形化工藝決定的cd、形貌、lwr等對(duì)其有決定性影響。其次，銅互連中引入的cu化學(xué)機(jī)械研磨工藝會(huì)帶來金屬離子殘留和水汽侵入，這些是柵極氧化層所沒有的。還有蝕刻和金屬阻擋層濺射沉積時(shí)等離子體對(duì)low-k的損傷，也是 low-k tddb所。雖然后段電介質(zhì)間距比同節(jié)點(diǎn)的柵極氧化層厚度厚很多，例如*技術(shù)節(jié)點(diǎn)的柵氧化層只有2nm左右，后段電介質(zhì)間距能達(dá)到35nm左右，但因?yàn)椴牧闲再|(zhì)和工藝復(fù)雜的原因，low-k擊穿問題面臨的挑戰(zhàn)不亞于柵氧化層擊穿。
low-k材料 sicoh 在高溫高壓應(yīng)力下的漏電流隨時(shí)間的變化，初始階段可觀察到明顯的電流下降，一般歸因于電荷被限制于電介質(zhì)中，隨著持續(xù)施加應(yīng)力，陷阱電荷誘發(fā)的漏電流開始緩慢增加，這個(gè)階段會(huì)持續(xù)較長時(shí)間，直到出現(xiàn)電流急劇增加，也就是擊穿。典型的cu/low-k擊穿模式，一般為沿著low-k和上覆蓋層的界面擊穿，而且有明顯的cu離子擴(kuò)散。
擊穿可能是電介質(zhì)內(nèi)部鍵斷裂，也可能是金屬擴(kuò)散到絕緣體內(nèi)。要將高壓下的測(cè)試結(jié)果 外推到低壓即工作電壓下，就需要借助于失效時(shí)間模型。關(guān)于金屬層電介質(zhì)擊穿有兩個(gè)廣為 人知的模型，一個(gè)是熱化學(xué)擊穿模型，即si-o鍵在高壓下斷裂，為本征失效，另一個(gè)是電荷注入模型，即認(rèn)為銅離子擴(kuò)散進(jìn)人電介質(zhì)導(dǎo)致?lián)舸瑸榉潜菊鲹舸?。?duì)于后段cu/low-k結(jié)構(gòu)的tddb，由于cu的高擴(kuò)散性以及氧化銅的不穩(wěn)定性，cu電極的影響非常顯著，目前業(yè)界大多數(shù)人接受的是后一模型，也稱為電流驅(qū)動(dòng)和銅離子催化下的界面擊穿模型。該模型下，陰極的加速電子通過schottky發(fā)射或者poole-frenkel發(fā)射來注入陽極。 schottky發(fā)射對(duì)應(yīng)低電場(chǎng)條件(1.4mv/cm)，為電介質(zhì)中陷阱電子在電場(chǎng)增強(qiáng)的熱激發(fā)作用進(jìn)入電介質(zhì)導(dǎo)帶，這些高能電子達(dá)到陽極后，一部分會(huì)與陽極表面的cuo發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生銅離子，接著cu離子會(huì)擴(kuò)散或者在電場(chǎng)作用下漂移進(jìn)人電介質(zhì)，一 般cu離子的運(yùn)動(dòng)路徑為low-k和頂部覆蓋層的界面。如果銅電極表面沒有cuo，只有cu原子，基本不會(huì)觀測(cè)到銅進(jìn)入電介質(zhì)，所以cmp時(shí)研磨液的選擇、cmp后銅表面清洗、在h2環(huán)境下還原cuo、隔絕水汽以避免水氧化cu都對(duì)low-k tddb非常關(guān)鍵。
根據(jù)se和pf傳導(dǎo)電流公式，以及電荷注入模型關(guān)于電介質(zhì)的損傷程度與電介質(zhì)中注入 的電荷數(shù)成正比的假設(shè)，當(dāng)電介質(zhì)損傷達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)的失效時(shí)間可以表示為
tf=aexp（-ϒe）exp（ea/kbt） (7-18）
其中，ϒ為電場(chǎng)加速因子。式(7-18)也稱為 tddb的模型根號(hào)e，低電場(chǎng)下的tddb失效時(shí)間能達(dá)到數(shù)年之久，有更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明cu/low-k結(jié)構(gòu)在低電場(chǎng)下的失效時(shí)間與根號(hào)e模型外推出的失效時(shí)間更接近，通過實(shí)驗(yàn)確定了根號(hào)e模型的正確性。
通過增大low-k材料中的孔隙率，能夠有效降低k值，但會(huì)導(dǎo)致材料中缺陷增多。電介質(zhì)間隔縮小到30nm以下時(shí)，多孔low-k材料在高電壓下的失效時(shí)間急劇下降，即使使用模型外推出的失效時(shí)間可能也達(dá)不到消費(fèi)電子所需壽命。oates等建議使用兩階段的缺陷成核和缺陷生長模型代替現(xiàn)有的只考慮缺陷成核的根號(hào)e模型來延長外推出的失效時(shí)間。因?yàn)樵诟邏合氯毕萆L非常迅速，測(cè)得的失效時(shí)間只表征了缺陷成核過程，但是在低電壓下缺陷生長卻慢得多，這個(gè)時(shí)間在模型中沒有反應(yīng)。通過兩階段應(yīng)力的測(cè)試技術(shù)就能分別表征出缺陷成核和生長的過程。根據(jù)該方法外推出的low-k tddb失效時(shí)間能延長數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。該方法目前還處于討論階段，需要工業(yè)界更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。
等離子體蝕刻對(duì)low-k tddb的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是蝕刻中等離子體造成 low-k損傷，二是蝕刻所定義圖形的尺寸大小和均勻性。
low-k材料sicoh沉積完成后，材料分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)固且有規(guī)律的排列，但蝕刻過程打斷了這個(gè)結(jié)構(gòu)。在溝槽側(cè)壁形成大量不完整結(jié)構(gòu)，即缺陷。同時(shí)等離子體中的氧離子能鉆入多孔狀low-k，與其分子結(jié)構(gòu)末端的甲基中的c結(jié)合，將其帶走，造成表面碳耗盡，進(jìn)一步步破壞low-k的結(jié)構(gòu)。等離子體還會(huì)發(fā)射真空紫外線(vuv)，low-k吸收這些高能光子后導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂，可能在表面形成低能量的導(dǎo)電通道。等離子體造成的這些缺陷在tddb測(cè)試時(shí)都會(huì)成為電荷陷阱，其在應(yīng)力作用下誘捕電荷，造成電介質(zhì)表面勢(shì)壘降低，從而加速電介質(zhì)擊穿。 nichols等的研究表明，經(jīng)過ecr等離子體處理或vuv照射的low-k材料，其在各個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度下的tddb失效時(shí)間明顯縮短。
氫氟酸對(duì)low-k材料sicoh基本沒有蝕刻能力，但對(duì)碳耗盡之后產(chǎn)生的sio2卻能輕易去除。在工程上一般將等離子體蝕刻過后的sicoh用低濃度氯氟酸(dhf)處理，通過觀察碳耗盡層的厚度來表征等離子體對(duì)sicoh的損傷程度。ibm公司提出的p4 (post porosity plasma protection)方法能有效降低多孔low-k材料在等離子體蝕刻時(shí)的損傷，不同電 場(chǎng)強(qiáng)度下，初沉積完的low-k和經(jīng)過等離子體處理或vuv照射完的low-ktddb失效時(shí)間，實(shí)線為ve模型，(b)經(jīng)過和沒經(jīng)過p4方法保護(hù)的碳耗盡層對(duì)比
經(jīng)過p4方法保護(hù)的low-k在蝕刻后的碳耗盡層大大減少，孔隙率越高效果越明顯。其具體方法為在多孔low k沉積完成后旋涂聚合物于其上，然后加熱使聚合物通過毛細(xì)管作用滲透進(jìn)小孔，接下來做常規(guī)的圖形化和金屬化工藝，加熱使小孔中有機(jī)聚合物分解釋放，重新形成多孔結(jié)構(gòu)的low-k電介質(zhì)。另一方面，imec發(fā)現(xiàn)溫度低到-70℃的超低溫蝕刻基本沒有碳耗盡層產(chǎn)生，超低溫下側(cè)壁上含c、h、o的反應(yīng)副產(chǎn)物液化并滲入low-k薄膜孔隙中，阻止了等離子體損傷。
增大金屬導(dǎo)線間的間距和改善間距的均勻性都可以有效提升tddb。碳耗盡層由于k值 較高，需要盡量去除，因此減少等離子體損傷帶來的碳耗盡層厚度能有效增加電介質(zhì)寬度。在一定節(jié)距下，導(dǎo)線間距增大意味著導(dǎo)線變細(xì)，會(huì)帶來導(dǎo)線電阻變大、電容升高、填孔更困難等問 題，因此在某一技術(shù)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線間距可調(diào)空間很小，而改善主要集中在均勻性，包括局部的和整片晶圓的均勻性，這與前面討論的柵極尺寸均勻性類似。局部均勻性的表征方式為ler，cu突出部位的電場(chǎng)強(qiáng)度大大高于其他區(qū)域，更容易出現(xiàn)電介質(zhì)擊穿。通過圖形化方法的優(yōu)化，例如溝槽蝕刻中使用金屬硬掩膜能大幅度改善 ler。隨著圖形尺寸縮小，ler的影響越來越顯著，如何通過精細(xì)圖形化手段來改善ler是個(gè)永恒的主題。由于蝕刻后的溝槽總是有一定傾斜角度，例如85°，電介質(zhì)上表面寬度不僅取決于蝕刻定義的尺寸，也與化學(xué)機(jī)械研磨的深度有關(guān)，良好的蝕刻和化學(xué)機(jī)械研磨工藝均勻性對(duì)全晶圓均勻性至關(guān)重要。不同于互連金屬間電介質(zhì)寬度的低可調(diào)性，通過改變通孔蝕刻工藝可以大幅度地調(diào)整通孔與互連金屬線間的電介質(zhì)寬度，通孔蝕刻時(shí)對(duì)金屬硬掩膜高選擇比的sav(self-aligned via)工藝比低選擇比的pt(punch through)工藝得到了更寬的電介質(zhì)寬度，不管是在通孔蝕刻后，還是在站式蝕刻或者化學(xué)機(jī)械研磨后都看到了明顯的區(qū)別。但是sav工藝的通孔底部尺寸相對(duì)較小，對(duì)應(yīng)較高的通孔接觸電阻，一般工程上需要在兩種工藝之間選擇一個(gè)折中方案。