行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 銅化學氣相沈積技術及積體電路銅製程相關的材料 ※
※ 與製程技術研究 ※
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Cu-CVD Technology and Reliability Issues of Cu
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Metallization Relevant to ULSI Application
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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC89－2215－E－009－029－
執行期間： 88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳茂傑
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學電子工程學系
中 華 民 國 89 年 10 月 25 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
銅化學氣相沈積技術及積體電路銅製程相關的材料與製程技術研
究
Cu-CVD Technology and Reliability Issues of Cu Metallization
Relevant to ULSI Application
計畫編號：NSC 89-2215-E-009-029
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
主持人：陳茂傑 執行機構及單位名稱:國立交通大學電子工程學系
計畫參與人員：林璧君 林成利 古紹露 林鈺鈞 吳振誠 王超群
執行機構及單位名稱: 國立交通大學電子工程學系
一、中文摘要 本專題計畫研究的內容在 Cu-CVD 方 面包括銅化學氣相沈積的 H2O 添加劑效應 和管洞填充技術的改進，目前已經可以對 深寬比 5.5 的 0.18 微米管洞達成無空隙的 銅膜填充。在銅金屬化系統的可靠度和低 介電常數材料方面，本計畫探討非晶態 TaSixNy(x=1.4, y=2.5)薄膜對銅金屬的擴散 障礙特性、氟摻雜氧化矽(FSG)的熱穩定 性、以及 FSG 和熱成長二氧化矽(thermal SiO2)與銅金屬結合之熱穩定性與擴散障礙 層(TaN, SiN)之運用等問題。 關鍵詞：銅化學氣相沈積、H2O 添加劑效 應、銅膜之管洞填充、擴散障礙層、FSG 與 Cu/FSG 及 Cu/SiO2之熱穩定性。 Abstr actThis work consists of copper chemical vapor deposition (Cu-CVD) and reliability issues of copper metallization system. In the study of Cu-CVD using Cu+(hfac)VTMS as a precursor, additive effects of H2O was
investigated and the via filling technique was developed. We have developed the technique of filling the submicron vias of 0.18 µm size having an aspect ratio of 5.5 with no voids in the Cu filled vias. In the study of the reliability issues, we investigate the barrier capability of reactively sputter deposited amorphous TaSixNy (x=1.4, y=2.5)
barrier layer. Moreover, we investigate the thermal stabilities of fluorinated silicate glass (FSG), Cu/FSG, and Cu/thermal-SiO2, as
well as the use of appropriate barrier layers.
Keywor ds: Cu-CVD, additive effects of H2O,
Cu film vias filling, diffusion barrier, FSG, Cu/FSG, Cu/SiO2. 二、緣由與目的 銅具有比鋁和絕大多數金屬更低的電 阻係數和優異的電子遷移抗拒性，已被認 為是解決未來深次微米積體電路多層內連 線和金屬化問題以取代現行鋁系金屬的新 材料。因此，以可以作出保角薄膜沈積 (conformal film deposition)的化學氣相沈積 法發展銅膜沈積技術[1]-[4]，顯然最為符合 未來積體電路製程發展之需要。但是，銅 膜的成功應用尚須取決於銅金屬化系統及 其與製程配合之熱穩定性。再者，多層內 連線的 RC 時間延遲，勢將嚴重影響未來 深次微米積體電路的工作性能[5]-[7]；因 此，低介電常數(low-k)介電層在積體電路 中的運用將是不可避免的趨勢[8]。本計畫 在 Cu-CVD 方面，乃延續去年的成果，比 較完整的繼續探討在 Cu precursor 中添加 H2O 對於銅膜沈積之效應，並且專注於管 洞(via)填充技術之改進。在銅金屬化系統 的可靠度和低介電常數材料方面，主要探 討非晶態 TaSixNy 擴散障礙層對銅(Cu)金 屬的擴散障礙特性，氟摻雜氧化矽(FSG)
的熱穩定性，以及 FSG 和熱成長二氧化矽 (thermal SiO2)和銅金屬結合之熱穩定性與 擴散障礙層之運用等問題。 三、結果與討論 1. H2O 作為添加劑對 Cu-CVD 之效應 以 H2O 為 添 加 劑 可 促 進 銅 先 驅 物
Cu+(hfac)VTMS 的(hfac)集團自 Cu+(hfac) 中分離，因而可增加基板表面的成核密 度，從而增進銅膜的沈積速率和表面平整 度（亦即使晶粒變小）[9][10]。圖(一)所示 為溫度 200℃、壓力 500mTorr、 precursor 流量 0.3 ml/min、運載氣體（He）流量為 150sccm 條件下，銅膜沈積速率及晶粒大小 與 H2O 添加量之關係圖，沈積速率的增加 及晶粒的變小趨勢十分顯著。 2. 化學氣相銅膜沈積之管洞填充 本計畫以自行研製之 DLI 液態銅源直 接注入之溫壁式化學氣相沈積系統，使用 Cu+(hfac)VTMS 添加 2.5wt%VTMS 當作先 驅物(precursor)，進行管洞填充(via filling) 之銅膜沈積研究。目前已經可以對深寬比 (aspect ratio)為 5.5 的 0.18µm 管洞(via)達成 無空隙之填充，如圖(二)所示。管洞填充能 力與銅膜沈積之諸多參數相關，尤其與沈 積壓力之關係最為密切。一般而言，沈積 壓力愈低，管洞填充能力愈佳。上述 0.18µm 管洞之無空隙填充係在沈積溫度 140℃及 沈積壓力 150mtorr, 銅源流量 0.4ml/min， 運載氣體(He)流量 25sccm 條件下所得之結 果。 3. 非晶態擴散障礙層 TaSixNy 鉭系(Ta-based)障礙層對銅金屬具有 較佳的擴散障礙效果，而非晶態(amorphous) 障礙層更由於沒有晶界(grain boundaries) 的存在，擴散障礙效果更佳。本計畫之研 究以反應式濺鍍法在 Ar/N2 混合氣體中濺 鍍 TaSi2靶材而得非晶態的 TaSixNy(x=1.4, y=2.5) 薄 膜 當 作 銅 金 屬 之 擴 散 障 礙 層 (diffusion barrier)，以 Cu/TaSixNy/Si 結構之
試片作片電阻量測、X 光繞射(XRD)分析、 及 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 觀 察 ， 並 以 Cu/TaSixNy/p+n 接面二極體作反偏壓漏電 流的測量作為評估 TaSixNy 障礙層對銅金 屬的擴散障礙效能之依據。表(一)所示為各 種不同厚度的 TaSixNy 障礙層以不同測試 或分析方法所得之熱穩定溫度，實驗結果 顯示電性測量是最敏感有效的鑑定方法。 電性測量結果顯示 10nm 厚度的 TaSixNy障 礙層，可使 Cu/TaSixNy/p+n 接面二極體承 受 500℃高溫熱處理 30 分鐘，而絲毫無損 其電性。 4. 低介電常數材料 FSG 及 Cu/FSG 之熱穩 定性
FSG(fluorinated silicate glass)是一種摻 雜氟的氧化矽，具有比熱成長二氧化矽 (thermal SiO2) 低的介電常 數 。 本 研 究 之
FSG 係以 SiF4/SiH4/O2/Ar 為反應氣體，使
用高密度電漿輔助化學氣相沈積法(high density plasma chemical vapor deposition，簡 稱 HDPCVD)在 400℃所沈積者，其介電常 數 K=3.5 ， 折 射 係 數 (refractive index) n=1.45。FSG 薄膜的熱穩定性至少可達 600 ℃，亦即經過 600℃的熱處理 30 分鐘而不 發生 K 值、n 值、及化學鍵結的變化。此 外，FSG 薄膜的抗濕性良好；浸入沸水中 兩小時，FTIR 仍然偵測不到 Si-OH 信號。 與銅金屬接觸之 Cu/FSG/Si 結構經過 400 ℃30 分鐘熱處理後，以 BTS 在 250℃作測 試，均可由 C-V 特性的量測以及 SIMS 分 析，證實已有 Cu 離子滲透進入 FSG 膜內。 如在 Cu 和 FSG 之間置一 75nm 厚度的 SiN 擴散障礙層(以 SiH4/NH3混合氣在 400℃用 CVD 方法沈積)，則可有效阻止銅離子摻入 FSG 膜內。 5. Cu/SiO2/Si 結構之熱穩定性及擴散障礙 層之運用 熱成長二氧化矽(thermal SiO2)不論是
乾氧成長(dry oxide)或濕氧成長(wet oxide) 者，Cu/SiO2/Si 結構在 500℃30 分鐘熱處理 後，以 BTS 在 250℃做測試，都顯示有銅 離子滲透進入 SiO2的電性不穩定狀況，如 圖（三）所示。如將 25nm 厚度的 TaN 擴 散 障 礙 層 置 於 Cu 和 SiO2 之 間 ， 則 Cu/TaN/SiO2/Si 結構在 500℃30 分鐘熱處 理後，再以 BTS 在 250℃做測試，其 C-V
曲線十分穩定，如圖（四）所示，顯示 TaN 完全有效阻擋銅離子滲入 SiO2。上述之 TaN 薄膜係以反應濺鍍法在 Ar/N2 混合氣 中 使 用 純 鉭 (Ta) 靶 材 濺 鍍 所 得 者 。 以 SiH4/NH3混合氣在 400℃用 CVD 方法沈積 之 SiN 薄膜也具有相同的擴散障礙效果。 四、計畫成果自評 本專題計畫研究內容與原計畫大致相 符，只有原計畫工作項目中有關 Hhfac 添 加劑對 Cu-CVD 的效應評估，因技術問 題，效果不彰，未及完成；有關通入 H2氣 的效應評估，亦因技術及安全問題，未及 完成，目前尚在進行中。此外，CVD-TaN 先期工作部分，現在正在整修及調整 CVD 系統，以便 TaN 的 CVD 沈積實驗得以順 利進行。本專題研究計畫在化學氣相銅膜 沈積之管洞填充技術、銅膜的擴散障礙層 以及與 low-k 材料之整合等方面的成果， 均具有產業應用上的參考價值，預期有三 篇論文發表於學術期刊。 五、參考文獻
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