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隨著芯片集成度的不斷提高,Cu已經取代Al成為超大規模集成電路互連中的主流互連材料｡在目前的芯片制造中,芯片的布線和互連幾乎全部是采用直流電鍍的方法獲得Cu鍍層｡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｡而脈沖電鍍在電流導通時,接近陰極的金屬離子被充分地沉積;當電流關斷時,陰極周圍的放電離子又重新恢復到初始濃度｡脈沖電鍍的主要優點有:降低濃差極化,提高了陰極電流密度和電鍍效率;改善鍍層物理性能;所得鍍層具有較好的防護性;能獲得致密的低電阻率金屬沉積層｡ 脈沖電鍍理論20世紀初就已被提出｡近幾年來,國外陸續發表了一些關于脈沖電鍍在集成電路Cu互連應用中的研究｡目前國內,針對脈沖電鍍Cu的研究主要集中在冶金級電鍍和印刷電路板(PCB)布線方面,幾乎沒有關于脈沖電鍍應用于集成電路Cu互連的文獻報道｡而在集成電路(IC)制造采用的是成熟的直流電鍍工藝｡PCB中線路的特征尺寸約為幾十微米,而芯片中Cu互連的特征尺寸是1μm,因此對亞微米級厚度Cu鍍層的性能研究顯得尤為必要｡本文將針對集成電路芯片Cu互連技術,研究分別用脈沖電鍍和直流電鍍沉積得到的Cu鍍層性能｡ 1 實驗采用 200mmp型(100)Si片,首先在Si片上PECVD(conceptone200mmdielectricsystem,Novellus)淀積800nmSiO2介質層｡接著用PVD(Invoa200,Novellus)濺射25nm的TaN/Ta擴散阻擋層,然后用PVD濺射50nm的Cu籽晶層｡在電解槽中,陽極為高純度的Cu棒,外面包裹一層過濾膜,其作用是電鍍時阻止固態不溶性雜質顆粒進入Cu鍍層,影響鍍層性能｡將經PVD濺射好Cu籽晶層的200mmSi片切片后的小矩形片作為陰極(5cm×2cm)｡電解槽底部靠近陰極處有一個磁力攪拌子,電鍍時置于電解槽下面的磁力攪拌儀產生磁場,驅動攪拌子勻速轉動,轉速設定為400r/min,這可以使電鍍過程中陰極附近電解液中的Cu離子濃度保持正常,降低濃差極化和提高陰極電流密度,加快沉積速度｡ 電鍍液成分為Cu2+17.5g/L,H2SO4175g/L,C1-50mg/L,加速劑2mL/L,抑制劑8mL/L和平整劑1.5mL/L(添加劑均來自美國Enthone公司)｡C1-能提高鍍層光亮度和平整性,降低鍍層的內應力,增強抑制劑的吸附｡加速劑通常是含S或其他官能團的有機物,包括硫脲及其衍生物,它的作用是促進Cu的成核,使各晶面生長速度趨于均勻｡抑制劑包括聚乙二醇(PEG)､聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物等,它的作用是和C1-一起在陰極表面上形成一層連續膜以阻止Cu的沉積｡平整劑通常是雜環化合物,一般含有N原子,它的作用是降低鍍層表面粗糙度｡ 對于脈沖電鍍,考慮到鍍層與電解液界面間存在電位差,會在鍍層表面形成一個雙電層,其作用等效于一個電容,脈沖頻率如果太大,雙電層電容在脈寬和脈間內來不及充放電,此時的脈沖電流將接近于直流電流｡但如果脈沖頻率太小,電流效率就會變得很低,因此脈寬和脈間的時間一般都選在毫秒級｡根據文獻的研究結果,固定ton=8ms,toff=2ms,研究不同平均電流密度的影響｡實驗中通過設置不同的電流密度以及相對應的電鍍時間,將Cu鍍層厚度都較嚴格地控制在1μm｡實驗中使用方波脈沖,測量的Cu鍍層薄膜參數包括電阻率､XRD､SEM和AFM｡ 2 結果和討論 2.1 電阻率測量結果 圖1是電沉積Cu層電阻率與電流密度之間的關系｡可見,脈沖電鍍得到的Cu鍍層電阻率小于相同電流密度下的直流鍍層｡在小電流密度時(<2A/dm2),直流鍍層和脈沖鍍層的電阻率都較大｡ 2.2 XRD測量結果 在XRD測量中,以晶面(hkl)的織構系數TC(texturecoefficient)來表征晶面擇優程度｡ 式中:I(hkl)､I0(hkl)分別表示沉積層試樣和標準試樣(hkl)晶面的衍射線強度;n為衍射峰個數｡當各衍射面的TC值相同時,晶面取向是無序的,如果某個(hkl)面的TC值大于平均值,則該晶面為擇優取向｡晶面的TC值越大,其擇優程度越高｡ 圖2中(a)和(b)分別為直流鍍層和脈沖鍍層織構系數與電流密度的關系｡(111)晶面抗電遷移的能力是(200)晶面的4倍,因此(111)晶面更有利于互連｡兩張圖的變化趨勢類似,主要晶面都是(111)和(200),但直流鍍層中(111)的擇優程度較脈沖鍍層稍好｡通過對Cu種籽層進行XRD后發現,籽晶Cu中(200)晶面呈現絕對擇優｡因此,XRD的結果表明,直流電鍍的晶面抗電遷移的能力要優于脈沖電鍍｡由于1μm的Cu電鍍層太薄,鍍層受到較強基體效應的影響,電沉積條件對晶面的影響很小,因此籽晶層的晶面在很大程度上決定了鍍層的晶面情況｡有文獻報道,當Cu鍍層超過4μm后,就基本不受基體外延的影響,而主要由電沉積條件決定,形成絕對優勢的擇優晶面取向｡ 2.3 AFM測量結果 圖3為脈沖電鍍與直流電鍍電沉積Cu鍍層表面粗糙度RMS(rootmeansquare)與電流密度的關系｡可見脈沖所得鍍層表面粗糙度僅為幾個納米,而直流所得鍍層表面粗糙度在10nm以上,最大時甚至達到了40nm,這樣大的粗糙度將為后續CMP工藝造成極大的困難｡而平整的表面可以為CMP工藝提供一個易于進行處理的基底表面,采用脈沖電鍍Cu鍍層的表面粗糙度RMS比直流電鍍的低｡ 2.4 SEM測量結果 圖4為脈沖電鍍與直流電鍍電沉積Cu鍍層的SEM照片｡由于有機添加劑將極大地影響Cu晶粒的生長過程,為了單獨考察電沉積條件對晶粒生長的影響,SEM測量的是在沒有三種添加劑情況下得到的鍍層｡可見在相同的電流密度下,脈沖所得鍍層的表面晶粒密度遠大于直流｡之所以會出現這樣的差別,原因在于脈沖關斷時間雖然對電鍍效率沒有貢獻,但它并不是一個“死時間”｡在關斷周期內可能發生一些對電結晶過程很有影響的現象,如重結晶､吸脫附等｡在關斷時間內,晶粒會長大,這是由于晶粒在關斷時間內發生了重結晶現象｡從熱力學規律可知,晶粒越大越穩定｡集成電路芯片互連中通常需要較大尺寸的晶粒,因為大尺寸晶粒的晶粒邊界較少,偏折電子的幾率較小,相應的電阻系數也較小,抗電遷移能力也更強｡ 3 結語 本文研究了脈沖電鍍和直流電鍍所得Cu鍍層電阻率､織構系數､晶粒大小和表面粗糙度等特性參數｡實驗結果表明,在相同電流密度條件下,脈沖電鍍所得Cu鍍層電阻率較低､表面粗糙度較小､表面晶粒尺寸和晶粒密度較大,而直流電鍍所得鍍層(111)晶面的擇優程度優于脈沖｡脈沖電鍍對電沉積過程有著更強的控制能力,能降低濃差極化,改善鍍層物理性能,獲得致密的低電阻率金屬電沉積層,所得鍍層在很多性能方面優于直流電鍍｡在超大規模集成電路Cu互連技術中,脈沖電鍍將有良好的研究應用前景｡ |
