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基于金属硬掩膜集成方案的铜互连双大马士革结构刻蚀工艺的开发及优化

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第一章 绪论

1.1集成电路互连技术发展趋势

1.2铜互连技术的产生

1.3低K材料的引入

1.4刻蚀工艺简介

1.5刻蚀工艺在铜互连中的应用

1.6本文的研究内容及方向

1.7实验设备与条件

第二章 低图形密度下双大马士革结构一体化刻蚀通孔聚合物残留缺陷优化

2.1引言

2.2双大马士革结构一体化刻蚀工艺中聚合物残留缺陷描述

2.3低图形密度下通孔底部残留形成原因分析

2.4实验设计与工艺优化

2.5工艺优化结果确认

2.6本章小结

第三章 双大马士革结构一体化刻蚀后晶圆表面氟钛凝结缺陷控制优化

3.1引言

3.2刻蚀后晶圆表面氟钛残留物分布规律

3.3刻蚀后晶圆表面氟钛凝结物缺陷潜在形成机理分析

3.4氟钛残留物形成控制实验设计

3.5氟钛残留物形成控制实验结果与分析

3.6 PST过程的作用机理验证

3.7本章小结

第四章 双大马士革结构一体化刻蚀后湿法清洗工艺中铜腐蚀失效优化

4.1引言

4.2铜互连工艺中图形变异失效问题描述

4.3图形变异失效物理结构分析

4.4铜腐蚀失效潜在原因分析

4.5铜腐蚀失效重复验证湿法清洗实验设计

4.6铜腐蚀失效重复验证实验结果

4.7铜腐蚀失效机理分析与优化控制方案

4.8本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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摘要

随着集成电路互连线特征尺寸的进一步减小,基于铜和低K介电材料的多层互连技术成为降低互连 RC延迟的必然选择。研究表明铜互连双大马士革工艺中的干法刻蚀,去胶等工艺对低k材料的机械与物化性能等都会带来不同程度的影响,会使集成结构中K值局部增加,削弱低K介电材料的优势。
  金属硬掩膜(MHM)双大马士革刻蚀解决方案在减少低k材料灰化损伤方面具有优势,但是由于全新金属掩膜TiN的引入,反应副产物成分由光阻携带的C/H/O变成含有金属Ti元素的更为复杂的副产物体系,这使得整个刻蚀工艺过程中面临许多有别与传统工艺的挑战。
  本论文针对双大马士革一体化刻蚀的聚合物残留缺陷问题,通过机理分析和实验验证对一体化刻蚀主要工艺参数进行调整,结果显示提高源激发功率并降低偏压功率以及升高晶圆基片温度能有效降低整体聚合物浓度水平,改善通孔底部聚合物残留状况。并通过引入C4F8反应气体,适当降低反应体系中的F/C比例,改善沟槽底部粗糙缺陷。开发出了具有较大工艺窗口的刻蚀工艺解决方案。
  针对双大马士革一体化刻蚀后晶圆表面氟钛凝结缺陷问题,基于晶圆表面氟钛凝结缺陷分布规律及潜在形成机理分析,提出在一体化刻蚀完成后增加N2 PST工艺过程。实验结果表明,N2 PST工艺的引入能有效控制晶片盒内整体含氟气体副产物的浓度,阻止晶圆表面氟钛凝结缺陷的形成。
  针对双大马士革结构一体化刻蚀后湿法清洗过程中的铜腐蚀失效问题,通过实验验证了失效机理为光诱导电化学铜腐蚀。在此基础上,提出通过严格控制铜互连工艺湿法清洗过程中的光照条件,防止光诱导电化学铜腐蚀失效的解决方案。
  基于对上述主要技术问题的研究,本论文开发并优化了双大马士革一体化刻蚀工艺以及配套湿法清洗工艺,使其能满足规模化量产对工艺窗口水平及工艺稳定性的要求。相关的研究工作对认识和理解MHM双大马士革刻蚀工艺中各技术步骤的潜在影响规律和机理有较大帮助,对进一步推动该工艺的发展和应用具有重要意义。

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