超大規(guī)模集成電路銅互連電鍍工藝06665

1、超大規(guī)模集成電路銅互連電鍍工藝來(lái)源：呼死你 摘要:介紹了集成電路銅互連雙嵌入式工藝和電鍍銅的原理;有機(jī)添加劑在電鍍銅中的重要作用及對(duì)添加劑含量的監(jiān)測(cè)技術(shù);脈沖電鍍和化學(xué)電鍍?cè)阢~互連技術(shù)中的應(yīng)用;以及銅互連電鍍工藝的發(fā)展動(dòng)態(tài)。 關(guān)鍵詞:集成電路,銅互連,電鍍,阻擋層 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),如圖1所示,1)首先沉積一層薄

2、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。 圖1 銅互連雙嵌入式工藝示意圖 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

3、和水組成,呈淡藍(lán)色。當(dāng)電源加在銅(陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極向陰極定向移動(dòng)并補(bǔ)充陰極附近的濃度損耗,如圖2所示。電鍍的主要目的是在硅片上沉積一層致密、無(wú)孔洞、無(wú)縫隙和其它缺陷、分布均勻的銅。 圖2 集成電路電鍍銅工藝示意圖 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

4、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

5、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(guò)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)

6、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(guò)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(guò)阻礙銅離子擴(kuò)散來(lái)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(guò)程非常重要。如果氯濃度過(guò)低,會(huì)使抑制劑的作用減弱;若氯濃度過(guò)高,則會(huì)與加速劑在吸附上過(guò)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

7、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(méi)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(guò)度的沉積。平坦劑通過(guò)在較密的細(xì)線條上方抑制銅的過(guò)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(guò)程中,對(duì)填充過(guò)程產(chǎn)生影響的主要是加速劑、抑制劑和氯離子,填充過(guò)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(wú)空洞和無(wú)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

8、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(lái)說(shuō),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。 圖3 電鍍銅表面添加劑作用示意圖 a= accelerator s= suppressor l= leveler cl= chloride ion 電鍍過(guò)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 stripp

9、ing,cvs)來(lái)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 在銅互連中的應(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(guò)程有更強(qiáng)的控制能力。最近幾年,關(guān)于脈沖

10、電鍍?cè)诩呻娐枫~互連線中的應(yīng)用研究越來(lái)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

11、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(wú)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)?；瘜W(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(guò)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(wèn)題。 4.銅互連工藝發(fā)展

12、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(wú)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(guò)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(lái)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)

13、,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(wèn)題的方法是ald和無(wú)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(guò)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(guò)渡金屬-釕可以實(shí)現(xiàn)銅的無(wú)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 -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(wú)種籽層電鍍同時(shí)也為銅電鍍工藝帶來(lái)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(wèn)題。