復(fù)習(xí)指導(dǎo)：超大規(guī)模集成電路銅互連電鍍工藝

　　1.雙嵌入式銅互連工藝

　　隨著芯片集成度的不斷提高，銅已經(jīng)取代鋁成為超大規(guī)模集成電路制造中的主流互連技術(shù)。作為鋁的替代物，銅導(dǎo)線可以降低互連阻抗，降低功耗和成本，提高芯片的集成度、器件密度和時(shí)鐘頻率。

　　由于對(duì)銅的刻蝕非常困難，因此銅互連采用雙嵌入式工藝，又稱雙大馬士革工藝（Dual Damascene），1）首先沉積一層薄的氮化硅（Si3N4）作為擴(kuò)散阻擋層和刻蝕終止層，2）接著在上面沉積一定厚度的氧化硅（SiO2），3）然后光刻出微通孔（Via），4）對(duì)通孔進(jìn)行部分刻蝕，5）之后再光刻出溝槽（Trench），6）繼續(xù)刻蝕出完整的通孔和溝槽，7）接著是濺射（PVD）擴(kuò)散阻擋層（TaN/Ta）和銅種籽層（Seed Layer）。Ta的作用是增強(qiáng)與Cu的黏附性，種籽層是作為電鍍時(shí)的導(dǎo)電層，8）之后就是銅互連線的電鍍工藝，9）最后是退火和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP），對(duì)銅鍍層進(jìn)行平坦化處理和清洗。

　　電鍍是完成銅互連線的主要工藝。集成電路銅電鍍工藝通常采用硫酸鹽體系的電鍍液，鍍液由硫酸銅、硫酸和水組成，呈淡藍(lán)色。當(dāng)電源加在銅（陽極）和硅片（陰極）之間時(shí)，溶液中產(chǎn)生電流并形成電場(chǎng)。陽極的銅發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化成銅離子和電子，同時(shí)陰極也發(fā)生反應(yīng)，陰極附近的銅離子與電子結(jié)合形成鍍?cè)诠杵砻娴你~，銅離子在外加電場(chǎng)的作用下，由陽極向陰極定向移動(dòng)并補(bǔ)充陰極附近的濃度損耗。電鍍的主要目的是在硅片上沉積一層致密、無孔洞、無縫隙和其它缺陷、分布均勻的銅。

　　2.電鍍銅工藝中有機(jī)添加劑的作用

　　由于銅電鍍要求在厚度均勻的整個(gè)硅片鍍層以及電流密度不均勻的微小局部區(qū)域（超填充區(qū)）能夠同時(shí)傳輸差異很大的電流密度，再加上集成電路特征尺寸不斷縮小，和溝槽深寬比增大，溝槽的填充效果和鍍層質(zhì)量很大程度上取決于電鍍液的化學(xué)性能，有機(jī)添加劑是改善電鍍液性能非常關(guān)鍵的因素，填充性能與添加劑的成份和濃度密切相關(guān)，關(guān)于添加劑的研究一直是電鍍銅工藝的重點(diǎn)之一[1，2].目前集成電路銅電鍍的添加劑供應(yīng)商有Enthone、Rohm&Haas等公司，其中Enthone公司的ViaForm系列添加劑目前應(yīng)用較廣泛。ViaForm系列包括三種有機(jī)添加劑：加速劑（Accelerator）、抑制劑（Suppressor）和平坦劑（Leverler）。當(dāng)晶片被浸入電鍍槽中時(shí)，添加劑立刻吸附在銅種籽層表面，如圖3所示。溝槽內(nèi)首先進(jìn)行的是均勻性填充，填充反應(yīng)動(dòng)力學(xué)受抑制劑控制。接著，當(dāng)加速劑達(dá)到臨界濃度時(shí)，電鍍開始從均勻性填充轉(zhuǎn)變成由底部向上的填充。加速劑吸附在銅表面，降低電鍍反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)勢(shì)，促進(jìn)快速沉積反應(yīng)。當(dāng)溝槽填充過程完成后，表面吸附的平坦劑開始發(fā)揮作用，抑制銅的繼續(xù)沉積，以減小表面的粗糙度。

　　加速劑通常是含有硫或及其官能團(tuán)的有機(jī)物，例如聚二硫二丙烷磺酸鈉（SPS），或3-巰基丙烷磺酸（MPSA）。加速劑分子量較小，一般吸附在銅表面和溝槽底部，降低電鍍反應(yīng)的電化學(xué)電位和陰極極化，從而使該部位沉積速率加快，實(shí)現(xiàn)溝槽的超填充。

　　抑制劑包括聚乙二醇（PEG）、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物，一般是長(zhǎng)鏈聚合物。抑制劑的平均相對(duì)分子質(zhì)量一般大于1000，有效性與相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)，擴(kuò)散系數(shù)低，溶解度較小，抑制劑的含量通常遠(yuǎn)大于加速劑和平坦劑。抑制劑一般大量吸附在溝槽的開口處，抑制這部分的銅沉積，防止出現(xiàn)空洞。在和氯離子的共同作用下，抑制劑通過擴(kuò)散-淀積在陰極表面上形成一層連續(xù)抑制電流的單層膜，通過阻礙銅離子擴(kuò)散來抑制銅的繼續(xù)沉積。氯離子的存在，可以增強(qiáng)銅表面抑制劑的吸附作用，這樣抑制劑在界面處的濃度就不依賴于它們的質(zhì)量傳輸速率和向表面擴(kuò)散的速率。氯離子在電鍍液中的含量雖然只有幾十ppm，但對(duì)銅的超填充過程非常重要。如果氯濃度過低，會(huì)使抑制劑的作用減弱；若氯濃度過高，則會(huì)與加速劑在吸附上過度競(jìng)爭(zhēng)。

　　平坦劑中一般含有氮原子，通常是含氮的高分子聚合物，粘度較大，因此會(huì)依賴質(zhì)量運(yùn)輸，這樣在深而窄的孔內(nèi)與加速劑、抑制劑的吸附競(jìng)爭(zhēng)中沒有優(yōu)勢(shì)，但在平坦和突出的表面，質(zhì)量傳輸更有效。溝槽填充完成后，加速劑并不停止工作，繼續(xù)促進(jìn)銅的沉積，但吸附了平坦劑的地方電流會(huì)受到明顯抑制，可以抑制銅過度的沉積。平坦劑通過在較密的細(xì)線條上方抑制銅的過度沉積從而獲得較好的平坦化效果，保證了較小尺寸的圖形不會(huì)被提前填滿，有效地降低了鍍層表面起伏。

　　在銅電鍍過程中，對(duì)填充過程產(chǎn)生影響的主要是加速劑、抑制劑和氯離子，填充過程完成后對(duì)鍍層表面粗糙度產(chǎn)生影響的主要是平坦劑。銅電鍍是有機(jī)添加劑共同作用的結(jié)果，它們之間彼此競(jìng)爭(zhēng)又相互關(guān)聯(lián)。為實(shí)現(xiàn)無空洞和無缺陷電鍍，除了改進(jìn)添加劑的單個(gè)性能外，還需要確定幾種添加劑同時(shí)存在時(shí)各添加劑濃度的恰當(dāng)值，使三者之間互相平衡，才能達(dá)到良好的綜合性能，得到低電阻率、結(jié)構(gòu)致密和表面粗糙度小的銅鍍層。

　　盡管使用有機(jī)添加劑可實(shí)現(xiàn)深亞微米尺寸的銅電鍍，但往往會(huì)有微量的添加劑被包埋在銅鍍層中。對(duì)于鍍層來說，這些雜質(zhì)可能會(huì)提高電阻系數(shù)，并且使銅在退火時(shí)不太容易形成大金屬顆粒。

　　電鍍過程中添加劑不斷地被消耗，為了保證鍍層的品質(zhì)，需要隨時(shí)監(jiān)控添加劑的濃度。目前主要使用閉環(huán)的循環(huán)伏安剝離法（Cylic Voltammetric Stripping，CVS）來監(jiān)測(cè)電鍍液的有機(jī)添加劑含量。CVS測(cè)量?jī)x器的主要供應(yīng)商是美國(guó)ECI公司。CVS盡管硬件成本低，但它很難反映出幾種添加劑組分濃度同時(shí)改變的準(zhǔn)確情況，高效液相色譜（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）分析技術(shù)有望能替代CVS.

　　3.脈沖電鍍和化學(xué)鍍?cè)阢~互連中的應(yīng)用

　　在目前的集成電路制造中，芯片的布線和互連幾乎全部是采用直流電鍍的方法獲得銅鍍層。但直流電鍍只有電流/電壓一個(gè)可變參數(shù)，而脈沖電鍍則有電流/電壓、脈寬、脈間三個(gè)主要可變參數(shù)，而且還可以改變脈沖信號(hào)的波形。相比之下，脈沖電鍍對(duì)電鍍過程有更強(qiáng)的控制能力。最近幾年，關(guān)于脈沖電鍍?cè)诩呻娐枫~互連線中的應(yīng)用研究越來越受到重視[3，4].脈沖電鍍銅所依據(jù)的電化學(xué)原理是利用脈沖張馳增加陰極的活化極化，降低陰極的濃差極化，從而改善鍍層的物理化學(xué)性能。在直流電鍍中，由于金屬離子趨近陰極不斷被沉積，因而不可避免地造成濃差極化。而脈沖電鍍?cè)陔娏鲗?dǎo)通時(shí)，接近陰極的金屬離子被充分地沉積；當(dāng)電流關(guān)斷時(shí)，陰極周圍的放電離子又重新恢復(fù)到初始濃度。這樣陰極表面擴(kuò)散層內(nèi)的金屬離子濃度就得到了及時(shí)補(bǔ)充，擴(kuò)散層周期間隙式形成，從而減薄了擴(kuò)散層的實(shí)際厚度。而且關(guān)斷時(shí)間的存在不僅對(duì)陰極附近濃度恢復(fù)有好處，還會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)沉積層有利的重結(jié)晶、吸脫附等現(xiàn)象。脈沖電鍍的主要優(yōu)點(diǎn)有：降低濃差極化，提高了陰極電流密度和電鍍效率，減少氫脆和鍍層孔隙；提高鍍層純度，改善鍍層物理性能，獲得致密的低電阻率金屬沉積層。

　　除了電鍍以外，還有一種無需外加電源的沉積方式，這就是化學(xué)鍍。化學(xué)鍍不同于電鍍，它是利用氧化還原反應(yīng)使金屬離子被還原沉積在基板表面，其主要特點(diǎn)是不需要種籽層，能夠在非導(dǎo)體表面沉積，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。化學(xué)鍍目前在集成電路銅互連技術(shù)中的應(yīng)用主要有：沉積CoWP等擴(kuò)散阻擋層和沉積銅種籽層。最近幾年關(guān)于化學(xué)鍍銅用于集成電路銅互連線以及溝槽填充的研究亦成為一大熱點(diǎn)，有研究報(bào)道通過化學(xué)鍍同樣可以得到性能優(yōu)良的銅鍍層[5，6].但是化學(xué)鍍銅通常采用甲醛做為還原劑，存在環(huán)境污染的問題。

　　4.銅互連工藝發(fā)展趨勢(shì)

　　使用原子層沉積（ALD ，Atomic Layer Deposition）技術(shù)沉積阻擋層和銅的無種籽層電鍍是目前銅互連技術(shù)的研究熱點(diǎn)[7].在當(dāng)前的銅互連工藝中，擴(kuò)散阻擋層和銅種籽層都是通過PVD工藝制作。但是當(dāng)芯片的特征尺寸變?yōu)?5nm或者更小時(shí)，擴(kuò)散阻擋層和銅種籽層的等比例縮小將面臨嚴(yán)重困難。首先，種子層必須足夠薄，這樣才可以避免在高縱寬比結(jié)構(gòu)上沉積銅時(shí)出現(xiàn)頂部外懸結(jié)構(gòu)，防止產(chǎn)生空洞；但是它又不能太薄。其次，擴(kuò)散層如果減薄到一定厚度，將失去對(duì)銅擴(kuò)散的有效阻擋能力。還有，相對(duì)于銅導(dǎo)線，阻擋層橫截面積占整個(gè)導(dǎo)線橫截面積的比例變得越來越大。但實(shí)際上只有銅才是真正的導(dǎo)體。例如，在65nm工藝時(shí)，銅導(dǎo)線的寬度和高度分別為90nm和150nm，兩側(cè)則分別為10nm.這意味著橫截面為13，500 nm2的導(dǎo)線中實(shí)際上只有8，400 nm2用于導(dǎo)電，效率僅為62.2%[7].目前最有可能解決以上問題的方法是ALD和無種籽電鍍。使用ALD技術(shù)能夠在高深寬比結(jié)構(gòu)薄膜沉積時(shí)具有100%臺(tái)階覆蓋率，對(duì)沉積薄膜成份和厚度具有出色的控制能力，能獲得純度很高質(zhì)量很好的薄膜。而且，有研究表明：與PVD阻擋層相比，ALD阻擋層可以降低導(dǎo)線電阻[7].因此ALD技術(shù)很有望會(huì)取代PVD技術(shù)用于沉積阻擋層。不過ALD目前的缺點(diǎn)是硬件成本高，沉積速度慢，生產(chǎn)效率低。

　　此外，過渡金屬-釕可以實(shí)現(xiàn)銅的無種籽電鍍，在釕上電鍍銅和普通的銅電鍍工藝兼容。釕的電阻率（~7 μΩ-cm），熔點(diǎn)（~2300℃），即使900℃下也不與銅發(fā)生互熔。釕是貴金屬，不容易被氧化，但即使被氧化了，生成的氧化釕也是導(dǎo)體。由于釕對(duì)銅有一定的阻擋作用，在一定程度上起到阻擋層的作用，因此釕不僅有可能取代擴(kuò)散阻擋層常用的Ta/TaN兩步工藝，而且還可能同時(shí)取代電鍍種籽層，至少也可以達(dá)到減薄阻擋層厚度的目的。況且，使用ALD技術(shù)沉積的釕薄膜具有更高的質(zhì)量和更低的電阻率。但無種籽層電鍍同時(shí)也為銅電鍍工藝帶來新的挑戰(zhàn)，釕和銅在結(jié)構(gòu)上的差異，使得釕上電鍍銅與銅電鍍并不等同，在界面生長(zhǎng)，沉積模式上還有許多待研究的問題。

　　5.結(jié)語

　　銅互連是目前超大規(guī)模集成電路中的主流互連技術(shù)，而電鍍銅是銅互連中的關(guān)鍵工藝之一。有機(jī)添加劑是銅電鍍工藝中的關(guān)鍵因素，各種有機(jī)添加劑相互協(xié)同作用但又彼此競(jìng)爭(zhēng)，恰當(dāng)?shù)奶砑觿舛饶鼙ＷC良好的電鍍性能。在45nm或更小特征尺寸技術(shù)代下，為得到低電阻率、無孔洞和缺陷的致密銅鍍層，ALD和無種籽電鍍被認(rèn)為是目前最有可能的解決辦法。此外，研究開發(fā)性能更高的有機(jī)添加劑也是途徑之一，而使用新的電鍍方式（比如脈沖電鍍）也可能提高銅鍍層的質(zhì)量。

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