Materials Issues in Copper Interconnections

Abstract

Significant progress has been made in building multilevel copper interconnection systems for advanced microelectronics. In this article, we examine some of the materials science issues underlying this progress, and indicate where significant materials challenges remain. It is probable that several approaches to process integration will be developed for copper interconnections, as has been the case with aluminum systems. The first successful demonstration of a fully integrated 4-level copper/polyimide (Cu/PI) interconnection system has been described by Luther et al. of IBM. A schematic cross section of this interconnection system is shown in Figure 1, indicating multiple layers of BPDA-PDA polyimide (PI 5810), Cu lines and studs, and layers of Ta and Si3N4 which serve as diffusion barriers, adhesion layers, and stopping layers in the patterning and planarization processes. This system demonstrates excellent planarity, as shown in the SEM cross section in Figure 2. The electromigration lifetime of this Cu/PI system is greatly improved relative to state-of-the-art aluminum-based systems, and the dielectric integrity appears adequate. Signal propagation studies also confirm the performance improvements anticipated for copper as a low-resistivity conductor and the use of Cu may allow significant capacitance reduction (≃ 25%) simply by scaling Cu lines to equal the resistance of Al lines. In parallel with efforts to introduce Cu metallization for its low resistivity, extensive efforts are under way to replace SiO2 with lower dielectric constant insulators.

Atomic Layer Deposition of Ruthenium Thin Films from an Amidinate Precursor

“…Assuming that both C and O have same scattering effect, the rate of the resistivity increase for these impurities can be estimated to be ~2 ·cm/at.%, which is close to the value for bulk Cu (1 ·cm/at.%). [19,20] The deposition temperature has a less pronounced effect than O 2 exposure. The Saturation of the growth rate with increasing temperature was also observed for the Ru(thd) 3 and RuCp 2 systems, which suggests these ALD processes follow a reaction mechanism similar to the one discussed by T. Aaltonen et al: Ru films are deposited by oxidizing the precursor ligands with dissociatively adsorbed oxygen from the subsurface region.…”

Evolución microestructural de capas delgadas de cobre por flujo de corriente eléctrica aplicada

“…El difractograma de la superficie metálica mostró una excelente orientación cristalográfica ya que la relación entre las intensidades de las difracciones principales de I(111)/I(200) = 6, es casi tres veces mayor que el patrón del estándar del cobre policristalino; además, las reflexiones están ligeramente desplazadas hacia valores mayores de 2θ, debido a los esfuerzos intrínsecos generados durante el crecimiento. Este comportamiento difiere de otros estudios, donde el cobre muestra una textura definida en el plano (200) con la presencia de cobalto [11]; sin embargo, es similar cuando el depósito se realiza por haz de iones asistido [14].…”

“…Debido al calentamiento Joule de la muestra, al incrementar la corriente hasta 1.6 A, se rompieron los contactos y se observó la aparición de unas manchas oscuras sobre la superficie de la capa de cobre. Estos resultados son similares a las aleaciones de cobre donde a bajas temperaturas (< 300°C) no se detectan cambios debido a esfuerzos ya que el coeficiente de expansión térmico permanece casi constante [11], a diferencia del aluminio que se comporta como un material elástico [15]. Este desplazamiento ocurre a bajas temperaturas (120 °C), por lo que el cobre se comporta como un material plástico bajo estas condiciones [16].…”

“…El comportamiento microestructural del Cu es muy diferente al del Al, por lo que es necesario profundizar en su evolución para optimizar ciertas características como la textura superficial, el tamaño de grano, etc. El recocido hasta 400°C origina un crecimiento del grano con la temperatura, donde la presencia de contaminantes o de una segunda fase en aleaciones muestra una fuerte influencia en el crecimiento de los granos [11].…”

“…El comportamiento microestructural del Cu es muy diferente al del Al, por lo que es necesario profundizar en su evolución para optimizar ciertas características como la textura superficial, el tamaño de grano, etc. El recocido hasta 400°C origina un crecimiento del grano con la temperatura, donde la presencia de contaminantes o de una segunda fase en aleaciones muestra una fuerte influencia en el crecimiento de los granos [11].En este trabajo se estudia la evolución microestructural superficial de capas delgadas de Cu depositadas sobre un sustrato rígido cuando se aplica in situ una corriente eléctrica. Los cambios en la rugosidad superficial y en la estructura cristalina fueron analizados por MFA y por DRX en haz rasante como función de la corriente DC aplicada.…”