Innovative solutions for advanced interconnects using ultralow-k dielectrics

Micro- en meso-poreuze materialen worden breed bestudeerd voor toepassingen in onder andere katalyse, gasscheiding, sensoren, optica, ... In de halfgeleider technologie worden deze materialen ook beschouwd als lage diëlektrische constante (low-k) inter metaal isolatoren voor ‘ultra large scale integration (ULSI)’ toepassingen. Verschillende categorieën poreuze materialen zoals silica, zuivere polymeren en metallo-organische netwerken zijn in beschouwing voor deze ‘interconnect’ toepassingen. Naarmate de kritische transistor dimensies afnemen, neemt ook de vereiste voor meer geavanceerde verbindingen toe. Vooral vermindering van de vermogens dissipatie en de vertraging van signaal transmissie door weerstand / capaciteit (RC) vereisen lage diëlektrische constante materialen. Voor de meest bestudeerde materiaal categorie, de poreuze organosilicaten (p-OSG), is de materiaal synthese goed gekend. De precursoren, i.e. de silica matrix en het porogeen materiaal, worden via ‘plasma-enhanced chemical vapor deposition’ of ‘sol gel methode’ samen gedeponeerd. Nadien wordt het porogeen materiaal selectief verwijderd door een thermische of ultraviolet (UV-cure) behandeling, resulterend in een meso-poreuze structuur. Door dit proces kan een vermindering van de k waarde gecontroleerd worden; een toenemende porogeen / matrix verhouding leidt tot een meer open poreuze structuur, waarbij een grotere porositeit gepaard gaat met toegenomen gemiddelde porie grootte. Deze hoog poreuze materialen zijn minder conform met conventionele ‘interconnect’ integratie processen zoals heterogene depositie, plasma processen en chemisch mechanisch polijsten (CMP). Specifiek, diëlektrica degradatie door plasma ets processen en door depositie van de metaal diffusie barrière zijn typische uitdagingen. Plasma geinduceerde schade (PID) wordt voornamelijk veroorzaakt door penetratie van ets radicalen, fotonen en residu depositie in de poriën, resulterend in een gewijzigde poreuze structuur en samenstelling tot diep in de bulk van het materiaal. Het verlies van specifieke organische groepen op de porie wanden maakt deze hydrofiel, en de hiermee gepaard gaande absorptie van vochtigheid leidt tot degradatie van de diëlektrische eigenschappen en de betrouwbaarheid van de werking. Ook de indringing van metaal species tijdens fysische of chemische depositie processen van de metaal diffusie barrière veroorzaakt continuiteits problemen, lekstromen en verandering van de effectieve diëlektrische waarde van het materiaal.  De effectieve diëlektrische waarde voor geintegreerde intermetaal dielectra is meestal significant verschillend van de waarde van de basis materialen. Bovendien vereist de toegenomen porositeit de depositie van dikke barrière lagen, die een significant bijdrage hebben tot de resistiviteit, waardoor voor heel dunnen interconnecties het gebruik van Cu niet meer volstaat om de vereiste geleidbaarheid te bekomen. Samenvattend kan men stellen dat de integratie van ultra-poreuze lage diëlektrische constante materialen in de ‘state-of-the-art’ damasceen technologie onderhevig is aan grote uitdagingen om de vereiste schaling in k-waarde te bekomen.

Teneinde de gevolgen van de plasma geinduceerde schade (PID) te verminderen, werden er reeds veel mogelijke methodes voorgesteld, waaronder het gebruik van aangepaste plasma chemie, post-ets low-k herstelling en post ets porogen verwijdering. Tevens werden ook verschillende porie bescherming methodes voorgesteld met een betere compatibiliteit met de depositie van de metaal diffusie barrière. Desondanks vertonen al deze oplossingen ofwel een onvoldoende verbetering van de performantie ofwel een beperkte compatibiliteit met het productie proces van geïntegreerde schakelingen. Het doel van deze thesis richt zich dan ook op drie conceptueel nieuw integratie strategieën voor geavanceerde interconnecties, gebruikmakend van ultralow-k diëlektrica, namelijk post porositeit porie bescherming (post porosity pore protection), porie bescherming door precursor condensatie (pore protection by precursor condensation) en vervanging low k concept (replacement low-k approach). 

Aangezien zowel plasma schade en barrière penetratie hun oorsprong vinden in de porisiteit van het materiaal is densificatie van het poreuze low-k materiaal de meest efficiënte aanpak om de integratie compatibiliteit te verbeteren. De ‘post porosity pore protection (P4)’ methode wijzigt de interconnect proces flow door het in een vroeg stadium introduceren van een externe sacrificiële vuller die de porositeit van de low-k film onderdrukt. De P4 proces flow omvat een vulling, ets en verwijder stap en is uitgebreid bestudeerd in dit werk. Door optimalisatie van de vul proces condities konden verschillende polymeren succesvol geadsorbeerd worden in p-OSG met verschillende porositeit en porie grootte. De polymeer penetratie graad is afhankelijk van de low-k structuur, de polymeer eigenschappen en de vul condities. Tijdelijke porie vulling belet de penetratie van actieve radicalen en ets neven producten tijdens het plasma proces, met een significante afname van de waargenomen PID. Anderzijds resulteert ook porie bescherming in een defect vrije metallisatie, een bijkomend cruciale stap voor integratie van poreuze low-k materialen. In deze aanpak blijft de sacrificiële vuller behouden tijdens het volledige metallisatie proces, met inbegrip van de barrière depositie, Cu vul proces en chemisch mechanische  polijst stap. Lage proces temperatuur en zuurstof vrije verwijdering is noodzakelijk om bijkomende schade aan de metallisatie structuren te voorkomen. Een alternatieve strategie voor porie bescherming is gebaseerd op lage temperatuur condensatie van precursor reagentia. De plasma ets eigenschappen van poreuze organosilikaat materialen bij cryogene temperaturen werden bestudeerd. Het mechanisme van plasma schade werd bestudeerd met in-situ ellipsometrie en post-ets materiaal karakterisatie. Gebruik van conventionele vluchtige reagentia zoals SF6, leerde dat plasma schade beperkt kan worden bij temperaturen lager dan -120oC, hetzij door porie wand passivatie met moleculair SF6 of door partiele condensatie van niet-vluchtige ets bij- producten.

De bescherming kan versterkt worden door middel van gasfase precursoren met verzadigde dampspanning bij lage temperatuur. Gebruik van C4F8 leidt tot complete porie vulling bij -110°C  en verwaarloosbare plasma schade wordt waargenomen, zowel op blanket en gestructureerde low-k filmen. De karakteristieken van precursor condensatie worden in detail beschreven en besproken, evenals een optimaal proces venster, waarbij aangetoond wordt dat de condensatie temperatuur verhoogt kan worden door gebruik te maken van precursoren met een lagere dampspanning. In-situ densificatie door precursor condensatie kan derhalve resulteren in schadevrije plasma bewerking van mesoporeuze materialen. In vergelijking met de P4 aanpak, die bijkomende vul en verwijder stappen vereist, biedt de proces flow door middel van cryogene ets processen een eenvoudigere en economisch gunstigere route voor schadevrije integratie van low-k materialen.

Gezien de toegenomen complexiteit van integratie van geavanceerde low-k materialen, houdt het ook steek om een aanpak waarbij eerst de metaal interconnect structuur gedefinieerd wordt, voorafgaand aan de depositie van het diëlektricum.  Desondanks veel onderzoek naar rechtstreekse Cu ets en directe diëlektricum vulling, is een goede morfologie en elektrische performante werking bij technologisch relevante dimensies nog steeds onvoldoende aangetoond.  Het werk in deze thesis onderzoekt daarom een alternatieve aanpak, gebaseerd op een ‘dielectric-last’ schema. De metaal structuur wordt eerst gevormd door het etsen van een sacrificieel model materiaal en vul. Na de verwijdering van het model materiaal. Wordt een low-k materiaal gevormd in de ruimte tussen de metaal structuur. De voorgestelde methode elimineert enerzijds plasma geïnduceerde low-k schade en anderzijds de barrière penetratie problemen door gebruik te maken van een vloeistof fase zelf-assemblerend low k diëlektricum. Door optimalisatie van de spin coat condities kan een conforme low-k vulling bekomen worden. In dit werk wordt de invloed van het vul proces op de metaal structuren nagegaan. Het verwijderen van het low-k porogen kan leiden tot vorming van Cu2O en de daarmee gepaard gaande Cu migratie kan resulteren in verminderde elektrische eigenschappen, waardoor ook geschikte bescherming van de koper structuren en afstellen van de low-k processen noodzakelijk is. Tot slot wordt ook integratie in een ‘dual damascene’ integratie schema beschouwd, waarbij de vorming van de bovenste metaal lagen de implementatie van een oppervlakte planarisatie door chemisch mechanisch polijsten vereist. De componenten van het CMP mengsel kunnen in het poreuze low-k penetreren, met nadelige impact op het diëlektrisch gedrag, waardoor ook de ontwikkeling van een reinigingsstap noodzakelijk is.   Gebruik makend van een structuur geschikt voor integratie worden ook de elektrische eigenschappen geëvalueerd. Een hoog rendement wordt bekomen met deze integratie flow en relevante effectieve low-k waardes en elektrische doorslag voltages bevestigen de geschiktheid van de specifieke integratie aanpak.