直流和脈沖電鍍Cu互連線的性能比較

　　隨著芯片集成度的不斷提高，Cu已經(jīng)取代Ａｌ成為超大規(guī)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(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。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；改善鍍層物理性能；所得鍍層具有較好的防護(hù)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(jì)初就已被提出。近幾年來，國外陸續(xù)發(fā)表了一些關(guān)于脈沖電鍍在集成電路Cu互連應(yīng)用中的研究［1-5］。目前國內(nèi)，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(guān)于脈沖電鍍應(yīng)用于集成電路Cu互連的文獻(xiàn)報(bào)道［6-8］。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(shù)，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(shí)驗(yàn)采用

　　200ｍｍｐ型（100）Si片，首先在Si片上ＰＥＣＶＤ（ｃｏｎｃｅｐｔｏｎｅ200ｍｍｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｙｓｔｅｍ，Ｎｏｖｅｌｌｕｓ）淀積800nmSiO2介質(zhì)層。接著用ＰＶＤ（Ｉｎｖｏａ200，Ｎｏｖｅｌｌｕｓ）濺射25nm的ＴａＮ／Ｔａ擴(kuò)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(shí)阻止固態(tài)不溶性雜質(zhì)顆粒進(jìn)入Cu鍍層，影響鍍層性能。將經(jīng)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(gè)磁力攪拌子，電鍍時(shí)置于電解槽下面的磁力攪拌儀產(chǎn)生磁場，驅(qū)動(dòng)攪拌子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速設(shè)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(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)抑制劑的吸附。加速劑通常是含Ｓ或其他官能團(tuán)的有機(jī)物，包括硫脲及其衍生物，它的作用是促進(jìn)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(xù)膜以阻止Cu的沉積。平整劑通常是雜環(huán)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(huì)在鍍層表面形成一個(gè)雙電層，其作用等效于一個(gè)電容，脈沖頻率如果太大，雙電層電容在脈寬和脈間內(nèi)來不及充放電，此時(shí)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(huì)變得很低，因此脈寬和脈間的時(shí)間一般都選在毫秒級。根據(jù)文獻(xiàn)［9］的研究結(jié)果，固定ton＝８ms，toff＝２ms，研究不同平均電流密度的影響。實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)置不同的電流密度以及相對應(yīng)的電鍍時(shí)間，將Cu鍍層厚度都較嚴(yán)格地控制在１μｍ。實(shí)驗(yàn)中使用方波脈沖，測量的Cu鍍層薄膜參數(shù)包括電阻率、XRD、SEM和AFM。

　　2 結(jié)果和討論

　　2.1 電阻率測量結(jié)果

???????? 圖１是電沉積Cu層電阻率與電流密度之間的關(guān)系?？梢姡}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(shí)（＜2A／dm2），直流鍍層和脈沖鍍層的電阻率都較大。

　　2.2 ＸＲＤ測量結(jié)果

　　在ＸＲＤ測量中，以晶面（hkl）的織構(gòu)系數(shù)ＴＣ（ｔｅｘｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）來表征晶面擇優(yōu)程度[10]。

　　式中：I（hkl）、I0（hkl）分別表示沉積層試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣（hkl）晶面的衍射線強(qiáng)度；ｎ為衍射峰個(gè)數(shù)。當(dāng)各衍射面的ＴＣ值相同時(shí)，晶面取向是無序的，如果某個(gè)（hkl）面的TC值大于平均值，則該晶面為擇優(yōu)取向。晶面的TC值越大，其擇優(yōu)程度越高。

　　圖２中（a）和（b）分別為直流鍍層和脈沖鍍層織構(gòu)系數(shù)與電流密度的關(guān)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(yōu)程度較脈沖鍍層稍好。通過對Cu種籽層進(jìn)行ＸＲＤ后發(fā)現(xiàn)，籽晶Cu中（200）晶面呈現(xiàn)絕對擇優(yōu)。因此，XRD的結(jié)果表明，直流電鍍的晶面抗電遷移的能力要優(yōu)于脈沖電鍍。由于１μｍ的Cu電鍍層太薄，鍍層受到較強(qiáng)基體效應(yīng)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(xiàn)報(bào)道，當(dāng)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(yōu)勢的擇優(yōu)晶面取向。

　　2.3 ＡＦＭ測量結(jié)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(guān)系?？梢娒}沖所得鍍層表面粗糙度僅為幾個(gè)納米，而直流所得鍍層表面粗糙度在１０nm以上，最大時(shí)甚至達(dá)到了４０nm，這樣大的粗糙度將為后續(xù)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(gè)易于進(jìn)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(jié)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(jī)添加劑將極大地影響Cu晶粒的生長過程，為了單獨(dú)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?？梢娫谙嗤碾娏髅芏认拢}沖所得鍍層的表面晶粒密度遠(yuǎn)大于直流。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的差別，原因在于脈沖關(guān)斷時(shí)間雖然對電鍍效率沒有貢獻(xiàn)，但它并不是一個(gè)“死時(shí)間”。在關(guān)斷周期內(nèi)可能發(fā)生一些對電結(jié)晶過程很有影響的現(xiàn)象，如重結(jié)晶、吸脫附等。在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，晶粒會(huì)長大，這是由于晶粒在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)發(fā)生了重結(jié)晶現(xiàn)象。從熱力學(xué)規(guī)律可知，晶粒越大越穩(wěn)定。集成電路芯片互連中通常需要較大尺寸的晶粒，因?yàn)榇蟪叽缇Я５木Я＿吔巛^少，偏折電子的幾率較小，相應(yīng)的電阻系數(shù)也較小，抗電遷移能力也更強(qiáng)［11］。

　　隨著芯片集成度的不斷提高，Cu已經(jīng)取代Ａｌ成為超大規(guī)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(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。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；改善鍍層物理性能；所得鍍層具有較好的防護(hù)性；能獲得致密的低電阻率金屬沉積層。

　　　本文研究了脈沖電鍍和直流電鍍所得Cu鍍層電阻率、織構(gòu)系數(shù)、晶粒大小和表面粗糙度等特性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yōu)程度優(yōu)于脈沖。脈沖電鍍對電沉積過程有著更強(qiáng)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(yōu)于直流電鍍。在超大規(guī)模集成電路Cu互連技術(shù)中，脈沖電鍍將有良好的研究應(yīng)用前景。