大规模集成电路导电薄膜的织构效应

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.06.014 第22卷第6期 北京科技大学学报 Vol.22 No.6 2000年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2000 大规模集成电路导电薄膜的织构效应 毛卫民”张弘) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)应用材料公司，美国加州95054 摘要利用X射线技术检测了普通工艺和改进工艺制备的内联导电铝膜的织构，分析表明， 高体积量且锋锐的{111}面织构可以大幅度降低大规模集成电路芯片的失效率，讨论了失效的 原因及{111}织构的有利作用.指出了新一代内联导电铜膜相应织构问题的重要性. 关键词铝薄膜；面织构；内应力；内联导 分类号TB303 文献标识码：A 薄膜作为一种二维材料近些年来得到了很 1实验与结果分析 大的发展，并且在电子及微电子工业有较为广 泛的应用山.在大规模集成电路的制备过程中， 借助美国加州硅谷应用材料公司的沉积设 通常要采用物理气相沉积或化学气相沉积的办 备在单晶硅上制备出普通的铝导电薄膜；另外 法涂敷各种不同性质的材料，用以制备各种存 用改进的沉积工艺在单晶硅上制备出新型的铝 储单元.通常要借助沉积金属薄膜并制成导电 导电薄膜.实践表明，用新型铝导电薄膜制备的 线路使各存储单元连接起来，传统上这种导电 芯片，可使故障率大幅度降低 薄膜采用铝合金来制作，目前用铜合金制作的 采用D5000型X射线衍射仪以小角度间隔 导电薄膜也得到了迅速的发展，随着大规模集 测量导电铝薄膜的{111,200}，(220)和{113}4 成电路芯片的高性能和小型化的发展，相应导 张不完整极图，并计算取向分布函数.图1和图 电线路的有效尺寸越来越小，因而大规模集成 2给出了2种沉积工艺条件下实测的{111}极图 电路在生产和使用过程中出现故障的概率越来 和所计算的取向分布函数的p245°截面图.图1 越高.这使得人们不得不认真地研究并探索降 (a)和图2(a)中均反映出2种薄膜中很强的{111} 低故障率的有效措施，本文从分析铝导电薄膜 面织构.{111}面织构是指导电铝膜多晶体中许 的织构效应入手，讨论利用织构降低故障率的 多晶粒的{111}面均接近平行与薄膜面的取向 原理和途径. 分布状态网.在图16)和图2b)中的取向分布函 (a) b) 0 o9" 图1普通制备工艺制出的铝膜{111}面织构 (a)(111极图（最大值222，密度水平：2,4,8,16）；)取向分布函数=45°截面图（最大值53，密度水平：2,4） Fig.1 (111)fiber fexture of alnminum film prepared by normal technology 2000-04-10收稿毛卫民男49岁，教授

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 】 、 。 大规模集成 电路导 电薄膜的织构效应 毛卫 民 ’ 张 弘 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 应用材料公司 ， 美国加州 摘 要 利用 射线技术检测 了普通工 艺和 改进工 艺制备 的 内联导 电铝膜 的织构 分析表 明 ， 高体积量且锋锐 的 面织构可 以大幅度降低大规模集成 电路芯 片的失效率 讨论 了失效 的 原因及 织构 的有利作用 指 出了新一代 内联导 电铜膜相应织 构 问题 的重要性 关键词 铝 薄膜 面织构 内应 力 内联导 分类号 文献标识码 薄膜作为一种二维材料近些年来得到 了很 大 的发展 ， 并且在 电子及微 电子工 业有较 为广 泛 的应用 ‘ 在大规模集成 电路 的制备过程 中 ， 通常要采用 物理气相沉积或化学气相 沉积 的办 法涂敷各 种不 同性质 的材料 ， 用 以制备各种存 储单元 通 常要借助沉积金属薄膜并制成 导电 线路使各存储单元连接起来 传 统上这种 导 电 薄膜采用铝 合金来制 作 ， 目前用 铜合金制作 的 导 电薄膜 也 得到 了迅速 的发展 随着大规模集 成 电路芯 片 的高性 能和 小 型化 的发展 ， 相 应 导 电线路 的有效尺寸越来越小 ， 因而大规模集成 电路在生产和使用过程 中出现故障的概率越来 越高 这使得人们 不得不 认真地研究并探索 降 低故 障率 的有效措施 本文 从分析铝 导 电薄膜 的织构效应入 手 ， 讨论利用织构 降低 故 障率 的 原理 和 途径 实验与结果分析 借助美 国加州硅谷应 用材料公 司 的沉积设 备在单 晶硅上制 备 出普通 的铝 导 电薄膜 另外 用 改进 的沉积工 艺在单 晶硅上制备 出新型 的铝 导 电薄膜 实践表 明 ， 用 新型铝 导 电薄膜制备 的 芯 片 ， 可使故 障率大 幅度 降低 采用 型 射线衍射仪 以小角度 间隔 测 量 导 电铝 薄膜 的 ， ， 和 张不完整极 图 ， 并计算取 向分布 函数 图 和 图 给 出 了 种沉积工 艺 条件下 实测 的 极 图 和 所计算 的取 向分布 函 数 的沪 截面 图 图 和 图 中均反 映 出 种薄膜 中很强 的 面织构 面织构是 指 导 电铝 膜 多 晶体 中许 多晶粒 的 面均接近平行与薄膜面 的取 向 分布状态冈 在 图 伪 和 图 中的取 向分布 函 助 图 普通制备工艺制 出的铝膜 面织构 极图 最大值 ， 密度水平 ， ， ， 伪 取向分布函数尹，闷 截面图 最大值 ， 密度水平 ， 咭 · ， 万】 奴 一 一 收稿 毛卫 民 男 岁 ， 教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．06．014

·540· 北京科技大学学报 2000年第6期 图2改进工艺制出的铝膜{111面织构 (@){111极图（最大值156.8，密度水平：2,4,8,1640,99）b)取向分布函数m,=45截面图（最大值89，密度水平：2,4,6,8） Fig.2(111)fiber fexture of aluminum film prepared by modified technology 数245°截面图上，高取向密度区附近即是 2,2大规模集成电路芯片快速发展的问题 {111}面织构的分布位置，由此也可以看出薄膜 近20年来随着硅半导体产业的持续高速 中明显的{111)面织构.根据图1和图2所反应 发展，集成电路芯片不断地向大规模、超大规模 出的极密度和取向密度可知改进工艺所沉积的 的方向拓展，在表面积不变的条件下芯片内存 铝膜有更强的{111}面织构，其最高极密度值达 储单元的数目呈指数增长，预计每个芯片内的 到158.6，明显高于普通工艺22.2的最高值.定 存储单元很快可达10和，相应地，铝膜导线的宽 量计算表明)，改进工艺后{111}面织构的体积 度也将从70年代的10m减少到现在的约0.2 分数从22.2%增加到80.7%，且正态分布半角宽 um. 从5.49°降到3.47°，说明织构明显锋锐化.由此 通常，在芯片的制造和使用过程中总会经 可见，{111}面织构的锋锐化应该与大规模集成 历一定的甚至是很大的温度起伏过程.芯片由 电路芯片故障率的降低相关， 单晶硅基体和各种薄膜构成（图3）.一般来说， 各层物质的热膨胀系数不尽相同，因而各层之 2讨论 间总会承受一定的内应力.图4给出了A1-1% 2.1大规模集成电路芯片的铝膜导线结构 Si-0.5%Cu合金导线在温度下降时所承受的应 在制备大规模集成电路的过程中要在存储 力（图4(a)及应变（图4b)》.对于铝膜导线来说， 单元之间要敷设导线连接.通常在单晶硅的 导线宽度降低时一方面会使流通的电路密度增 {100}面上依次沉积SiO2、Ti(TN)、铝合金膜等， 加并造成更大的温度起伏，另一方面也会造成 将铝膜腐刻成设定的导线线路后附着上SN,层 导线整体强度的降低.这些因素都会降低导线 进而制成集成电路芯片的基础材料".图3示意 抵抗内应力的能力，导致导线中生成孔洞并容 性地给出了集成电路芯片制备过程中的涂层结 易在使用过程中造成断裂失效.电流密度的升 构（图3(a)及铝膜导线结构（图3(b).其中SiO, 高也会增强“电子风”效应”，即在铝膜导线中 和SN层是绝缘层 因电流的流动而引起内应力和原子明显的扩散， 并因此在晶界上造成孔洞.图5给出了铝薄膜 导线在长时间导电情况下之间生成空洞的示意 Al 图，这同样也会使导线失效，由于这些失效原 Ti,TiN Ti,TiN 因，一些学者根据实验现象考虑了利用织构克 SiOz SiO, 服失效现象的可能性“ Si Si 2.3{111}面织构效应 气相沉积是常用的制备导电用铝合金薄膜 (a) (b) 的方法.由于铝的{111}表面能比较低刀铝膜 图3集成电路芯片的层状结构示意图 中往往会生成{111}面织构4，根据对超深冲压 Fig.3 Layer structure of very large-scale intergrated elec- 性无间隙原子钢的分析可以知道，当铝膜晶粒 tronie circuits 的{111)面平行于沉积面时铝膜在垂直于沉积

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 图 改进工艺制出的铝膜 面织构 毛 极图 最大值 ， 密度水平 ， ， ， ， ， ， 助 取向分布函数叨闷 截面图 最大值 ， 密度水平 ， ， ‘ ， 啥 价 】 数外科 截 面 图上 ， 高 取 向密 度 区 附近 即 是 面 织构 的分布位 置 ， 由此也可 以看 出薄膜 中明显 的 面 织构 根据 图 和 图 所 反应 出 的极密 度和 取 向密度可知 改进工 艺所沉积 的 铝 膜有更强 的 面 织构 ， 其最 高极密度值达 到 ， 明显 高于 普通工 艺 的最 高值 定 量计算表 明口，， 改进工 艺 后 面织 构 的体积 分 数 从 增加 到 ， 且 正 态分布 半角宽 从 降到 ， 说 明织构 明显锋锐化 由此 可 见 ， 面 织 构 的锋锐化应 该 与大规模集成 电路芯 片故 障率 的降低相 关 讨论 大规模集成 电路芯 片的铝膜导线结构 在制 备大规模集成 电路 的过程 中要 在存储 单 元 之 间 要 敷 设 导 线 连接 通 常 在 单 晶硅 的 面上 依次 沉积 、 、 铝 合金膜等 ， 将铝 膜腐刻成 设 定 的导线线路后 附着上 层 进而 制成集成 电路芯 片 的基础材料川 图 示 意 性地给 出 了集成 电路 芯 片制备过程 中的涂层 结 构 图 及 铝 膜 导 线 结 构 图 伪 其 中 和 层 是绝缘层 一一一一一一叹 ， 丁 讯 圆圆圆，益 只 伪 圈 集成 电路芯片的层状结构示意图 啥 口 肠 代 妇 大规模集成 电路芯 片快速发展的问题 近 年来 随着硅半 导体产业 的持续高速 发展 ， 集成 电路芯 片不 断地 向大规模 、 超大规模 的方 向拓展 在表面积不 变 的条件下 芯 片 内存 储单元 的数 目呈 指数增长 预计每个芯片 内的 存储单元很 快可达 划 ， 相应地 ， 铝 膜导线的宽 度也将 从 年代 的 林 减少到现在 的约 县」 通常 ， 在 芯 片 的制造和 使用过程 中总会经 历 一 定 的甚 至 是很大 的温度起伏过 程 芯 片 由 单 晶硅基体和 各种 薄膜构成 图 一 般来说 ， 各层 物质 的热膨胀系数不 尽相 同 ， 因而 各层 之 间 总会承 受 一 定 的 内应力 图 给 出 了 卜 问 合金 导线在温度 下 降时所承 受 的应 力 图 及应变 图 伪 户 对于铝膜导线来说 ， 导线宽度 降低 时一方面会使流通 的 电路密度增 加 并 造成 更 大 的温度起伏 ， 另一 方面 也会造成 导 线整 体强 度 的 降低 这 些 因素都会 降低 导线 抵抗 内应 力 的能力 ， 导致导线 中生 成孔洞 并容 易在 使用 过程 中造成 断裂 失效 电流密度 的升 高也 会增 强 “ 电子 风 ” 效应 【 ， 即在铝 膜导线 中 因 电流 的流动而 引起 内应力和 原子 明显 的扩散 ， 并 因此在 晶界上造成孔洞 图 给 出 了铝 薄膜 导线在长 时 间导 电情况下之 间生成空洞 的示意 图 ， 这 同样也会 使导线 失效 由于 这些 失效原 因 ， 一些 学者根据 实验现象考虑 了利用织构克 服 失效现象 的可 能性， ， 面织构效应 气相 沉积 是常用 的制备导 电用铝 合金薄膜 的方法 由于 铝 的 表面 能 比较低， ， 铝 膜 中往往会生成 面织构卜 根据对超深冲压 性无 间 隙原子钢 的分析可 以知道 ， 当铝膜 晶粒 的 面平行 于 沉积 面 时铝 膜在垂 直于 沉积

VoL22 No.6 毛卫民等：大规模集成电路导电薄膜的织构效应 ·541 (a)应力变化 6.0 b)应变变化 600 。厚度方向 ■厚度方向 ●长度方向 4.0 ●长度方向 400 2.0 6 200 0 0 -200 -2.0 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 t/℃ t/℃ 图4温度下降时A1%Si0.5%Cu导线(0.8um高，0.9μm宽)所承受的应力(a)及应变b) Fig.4 The stress(a)and strain acting on the Al-1%Si-0.5%conductor with decreasing temperature 空洞，进而引起芯片的断裂失效.提高其{111} 面织构体积分数和锋锐程度有利于增加<111> 方向上的变形抗力和沿{111}面上的塑性变形 图5导线内晶界上生成孔洞的示意图 能力以便松弛应力，降低“电子风”效应，进而大 Fig.5 Voids formed on the grain boundaries of the in in- 幅度降低芯片失效率.这种利用织构效应的原 terconnecting conductor 理也应该应用于内联导铜膜， 面的方向上有较大的塑性变形抗力，而沿沉积 参考文献 面内的方向则有很小的塑性变形抗力.参照图 1 Schroeder H.Voids in Interconnects of Very Large-scale Integrated Electronic Circuits.IFF-Bulletin,1996,49:52 3可以看出{111}，面织构使得铝膜易于在应力 2毛卫民，张新明.晶体材料织构定量分析.北京：冶金 作用下沿膜面方向，即铝膜导线的宽度和长度 工业出版社，1985.89,210 方向发生塑性变形并因此使应力得到松弛四. 3 Chen N,Mao W,Yu Y,et al.A Method of Quantitative Fib- 同时，铝膜厚度方向的高变形抗力也有利于保 er Texture Analysis,in:Laing Z,Zuo L,Chu Y,eds.Proc 证铝膜导线不失效.另外也有报道指出，强的 11th Inter Conf Textures of Materials.Beijing:Interna- {111}面织构十分有利于克服“电子风”效应所 tional Academic Publishers,1996.81 4 LeGoues FK,Krakow W,Ho P S.Atomic Structure of the 造成的不利影响.由图4b)可以看出，111}面织 Epitaxial Al-Si Interface.Phil Mag,1986,52(A):833 构使得铝膜导线在应力作用下沿长度方向明显 5 Jin H F,Yapsir A S,Lu T M,et al.Channeling Study of 变形而松弛了应力：同时沿厚度方向变形很小， Structural Effects at the Al(111)/Si(111)Interface Formed 有效地防止了导线失效.由图1和图2所示的 by Ionized Cluster Beam Deposition.Appl Phys Lett, 结果以及上述讨论可以发现，铝膜具有一般性 1987,50:1062 的111}面织构尚不能满足使用需求.因此随大 6 Knorr D B.Textures in Thin Films.Mat Sci Forum, 1994,157:1327 规模集成电路芯片小型化的进程，导电铝膜的 7 Sundquist B E.A Direct Determination of the Anisotropy {111}面织构应不断追求高占有率和高锋锐程 of the Surface Free Energy of Solid Gold,Silver,Copper, 度.目前铝合金内联导线的宽度接近0.1m,因 Nickel,and Alpha and Aamma Iron.Acta Metall,1964,12: 而达到了铝质导线的极限，铜的熔点、导电率和 67 力学强度均比铝高，热膨胀系数比铝低而热稳 8 Flinn P A,Waychunas GA.A New X-ray DiffracTometer Design for Thin film,Strain,and Phase CharacteRization. 定性好，因而它是取代铝制作新一代内联导线 JVac Sci Technol,1988,6(B):1749 的良好材料.铜有与铝完全相同的晶体结构，也 9 Shibata H,Murota M,Hashimoto K.The Effects of Al(111) 会有相似的{111}面织构效应，因此与铜相关的 Crystal Orientation on Electromigration in Half-micro 薄膜织构仍应引起足够的重视， Layered Al Interconnects.J Appl Phys,1993,33:4479 10 Yapsir A S,You L,Madden M.Partially Ionized Beam De- 3总结 position of Oriented Films.J Mater Res,1989,4:343 11 Venkatraman R,Bravman J C,Nix W D.Mechanical Pro 大规模集成电路内联导铝膜在使用过程中 perties and Microstructural Characterization of Al-0.5% 所产生的内应力、“电子风”等会在导线内造成 Cu Thin Films.J Elec Mat,1990,19:1231

毛卫 民等 大规模集成 电路导 电薄膜 的织构效应 弘 气心 应变变“ · 厚度方 向 二火 长度方 向 谈 ︸ ︸ 飞州 应力变化 一 厚度方 向 … 火 ‘ 度方 向 卜、 一 乏﹄勺口 ℃ ℃ 图 温度下降时 卜 ， 导线 林 高 ， ，林 宽 所承受的应 力 及应变伪’ 啥 血 卜 闷 “ ， 图 导线内晶界上生成孔洞 的示意图 面 的方 向上 有较大 的塑 性变形 抗力 ， 而 沿 沉积 面 内的方 向则有 很 小 的塑 性变形 抗力 参照 图 可 以看 出 ， 面 织 构使得铝 膜 易 于在 应 力 作用 下 沿膜面方 向 ， 即铝 膜 导线 的宽度和 长度 方 向发 生 塑性变形 并 因此使应 力得到松 弛 〔‘ 同时 ， 铝 膜厚 度方 向的高变 形抗力 也有利 于保 证铝 膜 导 线不 失效 另外 也有报道指 出 ， 强 的 川 面织构十分 有利于 克服 “ 电子风 ” 效应所 造成 的不利 影 响 由图 可 以看 出 ， 面织 构使得铝膜 导线在应力作用下 沿长度方 向明显 变形而 松弛 了应 力 同时沿厚度方 向变形 很 小 ， 有效地 防止 了导线 失效 由 图 和 图 所示 的 结果 以及 上 述 讨论可 以发现 ， 铝 膜具 有 一般性 的 面织构 尚不 能满足使用需求 因此 随大 规模集成 电路芯 片 小 型 化 的进程 ， 导 电铝 膜 的 毛 面织构应 不 断追求 高 占有率和 高锋锐程 度 目前铝合金 内联 导线 的宽度接近 林 ， 因 而达到 了铝质导线 的极 限 铜 的熔 点 、 导 电率和 力学强 度均 比铝 高 ， 热 膨胀系数 比铝 低 而 热 稳 定性好 ， 因 而 它是取代铝 制作新一 代 内联 导 线 的 良好材料 铜有与铝完全相 同 的 晶体结构 ， 也 会有相似 的 面 织构效应 ， 因此与铜相 关 的 薄膜 织构仍 应 引起足够 的重视 总结 大规模集成 电路 内联导铝膜在使用 过程 中 所产生 的 内应 力 、 “ 电子风 ” 等会在 导 线 内造成 空 洞 ， 进而 引起 芯 片 的断裂 失效 提 高其 面 织 构体积 分数和 锋锐程度有 利 于 增加 方 向上 的变形 抗力和 沿 面上 的塑 性变形 能力 以便松 弛应力 ， 降低 “ 电子风 ” 效应 ， 进而大 幅度 降低 芯 片 失效 率 这种利 用 织构 效应 的原 理也 应 该应用 于 内联 导铜 膜 参 考 文 献 一 一 ， ， 毛卫 民 ， 张新 明 晶体材料织构定量分 析 北 京 冶金 工业 出版社 ， ， ， ， 丫 刀 】 ， ， ， 丫 介 甘 ， ， 淦 ， 如 犷 以 触 ， ， ， ， ， 位 奴甘 触 ， ， 介 甘 。 ， ， 触 ， ， ， ， ， ， ， 认厄 任比 ， 妞 ， 形 、 恤 ， ， 毋 ， ， 面 。 免 川 尽 ， ， ， ， ， ， 、 飞 ， ， 一 ，

·542· 北京科技大学学报 2000年第6期 Texture Effect of Interconnection Thin Films in Very Large-Scale Integrated Electronic Circuits MAO Weimin,ZHANG Hong 1)Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083 China 2)Applied Materials,California 95054,USA ABSTRACT The texture of interconnecting aluminum films prepared by conventional and modified tech- nology was examined using X-ray diffraction.It is demonstrated,that the high volume fraction and high sha- rpness of the {111)fiber texture will drastically reduce the invalidation ratio of very large-scale integrated elec- tronic circuits.The reasons of invalidation and the positive effects of the {111)fiber texture are discussed.It is pointed out,that attention should be paid to the corresponding texture problems in new interconnecting cop- per films. KEY WORDS aluminum film;internal stress;fiber texture;interconnection Thermodynamic Study on Process in Copper Converters (The Copper-making Stage) CHEN Chunlin,ZHANG Jiayun,AHOU Tuping,WEI Shoukun, LU Xingxiang,BAI Mengi,JIANGJinhong 1)Metallurgy School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Guixi Smelter,Jiangxi,335424 Abstract:Theoretical calculations were based on thermodynamic equilibrium in the multi-component and multi-phase system with heat and mass balance as well as the oxygen efficiency to take account for the effects of process kinetics.The variations of temperature,mass fractions of dissolved oxygen and sulfur in blister cop- per,partial pressures for O,S2,SO:in gas phase for the copper-making stage were calculated.The model pre- dicted temperature,time of blowing as well as mass of the blister copper at end points for 6 heats showed a fairly good agreements with corresponding plant data.The calculated O content of 0.065%and S content of 0.87%in blister copper were both at reasonable levels.Compared with the so called Goto model,the present model has very much improved process description of copper-making stage as well as the prediction of end points for a copper converter by introducing the oxygen efficiency. Key words:Peirce-Smith copper converter;thermodynamic model;copper-making stage [Journal of University of Science and Technology Beijing(English Edition),1999,7(3),184]

引 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 犷 一 五侧口 肠 礼 月只 心 ， ， ， 创比 ， ， 仅 比 。 切 田力 份 比 印 毛 吨 一 廿曲 山 止 ， 也掀 印 甘 “ 访 加 止 时 一 月 万 ， 月只刀 刁 ， 乃切吨 气 砰百了 。 “ 加 ， 川笋 犷气 馆 ， 刀刁刃 天” 心 因 试留 ， ， 吨 ， 丘恤 加 几 】 ， 由瓜 一 找 琳 的 山 切吐 场 ， 姆 ， ， ， 仪 、 ， ’ 旦 幼 旦 ， 扰 吨 叮 一 七 比 勿 妙 哪沙 扩动 忍 ， ，