集成电路互连用超高纯铜及铜锰合金微观组织及织构研究

集成电路互连用超高纯铜及铜锰合金微观组织及织构研究
随着集成电路制造技术遵循摩尔定律不断发展演进,芯片特征尺寸缩小到深亚微米和纳米,金属互连线的布线宽度也要求越来越细,传统的铝及其合金互连线已经不能完全满足集成电路工艺发展的需要。

铜具有更高的抗电迁移能力和更低的电阻率,在降低互连线电阻、减少布线层数、提高集成电路逻辑运行速度等方面优点明显,已经成为取代铝作为新型布线材料的必然选择。

在集成电路90-45nm技术节点上,超高纯铜是关键的互连线种子层材料,而当线宽进一步缩小时,需要通过铜合金化的方法来解决铜互连技术当中Cu在Si 中扩散的问题,其中在铜中添加合金元素Mn可以有效的防止互连线氧化,并且铜锰合金互连工艺方法可形成自扩散阻挡层,其表面特性和微观结构对后续沉积生长的薄膜结构和晶粒、取向等有重要的影响。

现今的45 nm以下工艺产品主要采用CuMn互连线技术。

超高纯铜和铜锰合金靶材是溅射制备铜互连线种子层薄膜材料的关键源材料,其组织性能直接影响芯片的制造工艺及产品的最终性能。

本课题对超高纯铜以及铜锰合金材料形变、热处理过程微观组织结构特征进行了系统的研究,为高性能靶材的制备提供重要的技术支撑,以满足现在集成电路产业对关键配套材料的需求。

研究得到如下结论:(1)超高纯铜和铜锰合金铸锭原始组织十分粗大,晶粒尺寸可达到毫米级别。

通过开坯锻造、冷轧塑性变形后,产生了明显的轧制形变带,纤维组织出现了分层的情况,并且随着总变形量的不断增大,层间距宽度越来越小。

(2)超高纯铜在150℃开始再结晶,随着温度升高,再结晶晶粒不断增多。

当
退火温度升到200℃时,再结晶已经基本完全,晶粒的尺寸接近22μm。

当退火温度升高至400℃时,组织当中出现了极不均匀的长大情况,有些位
置出现明显的异常长大的晶粒;铜锰合金再结晶启动温度较高,在390℃退火条
件下开始再结晶。

当在450℃至540℃时,再结晶过程进行完全,晶粒趋向等轴晶,晶粒尺寸在10μm左右。

继续升温直至690℃时晶粒仍不断长大,尺寸达到30μm以上,并未出现异常晶粒长大的情况。

(3)超高纯铜在变形状态下织构强度较高,极密度最大可以达到14以上,组织当中主要有(110)[111]、(110)[112]以及立方织构(100)[100]等类型织构。

超高纯铜在完全再结晶的情况下,织构的强度显著下降,极密度下降到4左右,组织当中会形成较多的冷轧织构以及再结晶织构。

当退火温度升到400℃时,超高纯铜发生了异常长大的现象,其织构强度变大,极密度达到34以上,组织当
中形成许多面心立方金属非典型织构。

超高纯铜锰合金经塑性形变后形成了常见的Brass织构、Copper织构、S
型织构以及Goss织构等形变织构;完全再结晶后,轧制织构下降到7%左右,再结
晶织构上升到总体20%左右。

退火到600℃时总体织构略上升,随机取向比例下降。

(5)超高纯铜经过冷轧热处理工艺优化后,总变形量在90%,退火温度在200℃-250℃之间时,超高纯铜的晶粒细小、组织均匀,可以获得超高纯铜的理想组织;铜锰合金经过冷轧热处理工艺优化后,总变形量在90%,退火温度在450℃-480℃之间时,可获得铜锰合金材料的理想组织。

(6)通过相同工艺处理的超高纯铜和铜锰合金材料相比较后发现:CuMn合金在轧制过程不易发生动态再结晶,组织更加
均匀;热处理过程中组织更加容易控制,稳定性较高,不易发生异常突变。

这些优点能更好满足集成电路线宽更窄的苛刻条件下的性能要求,对于铜互连技术的发展具有重要意义。