集成电路互连用金属薄膜微结构的表征

集成电路(IC)的制造需要在许多活跃的半导体区域之间通过沉积的金属薄膜进行导电互连。这些薄膜的微观结构直接影响集成电路器件的一致性。由于电迁移，故障经常发生。电迁移是金属离子的扩散运动。由于扩散速率是微结构的函数，薄膜微结构的精确表征对于获得高可靠性器件非常重要。

现有解决方案的局限性

x射线衍射(XRD)是薄膜微结构测量的常用方法之一。然而，利用XRD进行表征有一定的局限性:

• XRD是时间密集型的，特别是在获取全晶体取向数据时。
• 晶粒尺寸不能直接测量，只能从衍射峰展宽推断晶粒尺寸。在扩阔过程中有许多相互竞争的因素，必须加以区分。
• XRD对约100 nm ~ 10 μm的晶粒尺寸变化不敏感，这是金属薄膜常见的晶粒尺寸范围。
• XRD没有提供关于材料的晶界特征的信息，这强烈影响材料的扩散性能和抗电迁移失效。

透射电子显微镜(TEM)是另一种微观结构表征方法，它在研究金属薄膜时也有自己的缺点:

• 透射电镜需要大量且耗时的样品
  分析前的准备工作。
• 瞬变电磁法需要专业的操作人员来精确测量
  晶体取向和晶界特征。
• 通常收集TEM定向测量
  手工操作，数据收集非常耗时。
• TEM只能提供有限数量的测量结果，
  限制了对晶体取向的全面描述
  分布和晶界特征。

EBSD的优点

与TEM和XRD相比，电子背散射衍射(EBSD)可以快速、自动化地测量薄膜的微观结构。电子服务支援服务的好处如下:

• 提供了详细的微观结构描述
• 提供晶体取向、晶界特征、晶粒尺寸、局部塑性应变和相分布的数据
• 快速数据采集速率
• 金属薄膜测试需要有限的样品准备
• 有了Hikari XP，可以在一分钟内完成全面的微观结构分析
• 空间分辨率低于50nm，能够分析大于1cm x 1cm的区域，从而允许大面积分析和高分辨率数据采集，以满足大多数微观结构分析的需求
• 统计上有意义的数据
• 在不到30分钟的时间内，每秒可进行650次测量，可获得超过100万次的定向测量

金属薄膜分析

传统上，铝被用于集成电路的金属化。材料的电迁移行为和平均失效时间强烈依赖于晶粒尺寸，晶界行为和晶体取向。使用Hikari XP以每秒650点的速度从合金铝膜上收集EBSD地图(图1)。改变采样步长和映射面积，以获得总数据采集次数的范围。

图1所示。a) 1分钟，b) c) 5分钟，d) 60分钟收集铝膜方向图

结果(表1)表明，薄膜微观结构的统计代表性采样可以在60秒内获得。从取向数据估计的纹理结果显示了一个强的(111)优选取向。在早期的研究中，(111)取向被证明增加了在互连制造之后IC器件失效的时间。

表1。从铝薄膜上以每秒650个索引点收集的EBSD扫描结果

扫描	时间(分钟)	粒度(µm)	(111)纹理
1	1	3．75	13.4
2	5	3.96	13．8
3.	5	4.14	13.3
4	60	3.97	13.6

随着集成电路器件的不断小型化，铜因其较高的导电性而越来越多地被用作互连金属。对于铝，晶界承担扩散路径的作用，协助电迁移失败。与此相反，铜的组织中共格孪晶界的扩散速率低于随机的高角度晶界。

采用薄膜沉积和热处理，孪晶界的比例增加，从而有助于减少不利的扩散路径和提高平均失效时间。EBSD是理想的测量众多晶界，并将它们分类为有用的孪晶界或有害的随机高角度晶界。

图2显示了一个EBSD谷物图，其中在谷物计算过程中排除或包含了双胞胎。除去孪晶界的铜膜的晶粒尺寸(1.4µm)表明其电迁移性能和使用寿命优于含孪晶界的铜膜(500nm)。

EBSD具有测量晶粒尺寸而不需要孪晶界的能力。因此，它可以成功地用于提高加工条件和优化半导体器件的使用寿命。

图2。在晶粒测定中，孪晶界包括(上)而不包括(下)的铜薄膜的晶粒图。计算出的晶粒随机着色以显示尺寸和形态。

推荐EDAX解决方案

EDAX TEAM™EBSD分析系统推荐用于这种特殊应用。如果需要元素分析数据，配备EDS和EBSD探测器的Pegasus系统更合适。对于晶体学，建议使用Hikari XP EBSD相机，而对于元素分析，建议使用辛烷值SDD系列。

这些信息已经从EDAX公司提供的材料中获得、审查和改编。亚博网站下载

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