超大規(guī)模集成電路銅互連電鍍工藝

1、文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 超大規(guī)模集成電路銅互連電鍍工藝文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 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;有機添加劑在電鍍銅中的重要作用及對添加劑含量的監(jiān)測技術(shù);脈沖電鍍和化學(xué)電鍍在銅互連技術(shù)中的應(yīng)用;以及銅互連電鍍工藝的發(fā)展動態(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,提高芯片的集成度、器件密度和時鐘頻率。 由于對銅的刻蝕非常困難,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

2、1所示,1)首先沉積一層薄的氮化硅(si3n4)作為擴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)對通孔進行部分刻蝕,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)擴散阻擋層(tan/ta)和銅種籽層(seed layer)。ta的作用是增強與cu的黏附性,種籽層是作為電鍍時的導(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)拋光(cmp),對銅鍍層進行平坦化處理和清洗。 540)this.width=540” vspace=5 圖1 銅互連雙嵌入式工藝示意圖 電鍍是完成銅互

3、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,呈淡藍色。當(dāng)電源加在銅(陽極)和硅片(陰極)之間時,溶液中產(chǎn)生電流并形成電場。陽極的銅發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化成銅離子和,同時陰極也發(fā)生反應(yīng),陰極附近的銅離子與電子結(jié)合形成鍍在硅片表面的銅,銅離子在外加電場的作用下,由陽極向陰極定向移動并補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、無孔洞、無縫隙和其它缺陷、分布均勻的銅。 540)this.width=540” vspace=5 圖2 集成電路電鍍銅工藝示意圖 2. 電鍍銅工藝中有機添加劑的作用 由于銅電鍍要求在厚度均勻的整個硅片鍍層以及

4、電流密度不均勻的微小局部區(qū)域(超填充區(qū))能夠同時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系列包括三種有機添加劑:加速劑(accelerator)、抑制劑(suppressor)和平坦劑(leverler)。當(dāng)晶片被浸

5、入電鍍槽中時,添加劑立刻吸附在銅種籽層表面,如圖3所示。溝槽內(nèi)首先進行的是均勻性填充,填充反應(yīng)動力學(xué)受抑制劑控制。接著,當(dāng)加速劑達到臨界濃度時,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,促進快速沉積反應(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的有機物,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,實現(xiàn)溝槽的超填充。 抑制劑包括聚乙二醇(

6、peg)、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物,一般是長鏈聚合物。抑制劑的平均相對分子質(zhì)量一般大于1000,有效性與相對分子質(zhì)量有關(guān),擴散系數(shù)低,溶解度較小,抑制劑的含量通常遠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,通過阻礙銅離子擴散來抑制銅的繼續(xù)沉積。氯離子的存在,可以增強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散的速率。氯離子在電鍍液中的含量雖然只有幾十ppm,但對銅的超填充過程非常重要。如果氯濃度過低,會使抑制劑的作用

7、減弱;若氯濃度過高,則會與加速劑在吸附上過度競爭。 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,因此會依賴質(zhì)量,這樣在深而窄的孔內(nèi)與加速劑、抑制劑的吸附競爭中沒有優(yōu)勢,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)促進銅的沉積,但吸附了平坦劑的地方電流會受到明顯抑制,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,填充過程完成后對鍍層表面粗糙度產(chǎn)生影響的主要是平坦劑。銅電鍍是

8、有機添加劑共同作用的結(jié)果,它們之間彼此競爭又相互關(guān)聯(lián)。為實現(xiàn)無空洞和無缺陷電鍍,除了改進添加劑的單個性能外,還需要確定幾種添加劑同時存在時各添加劑濃度的恰當(dāng)值,使三者之間互相平衡,才能達到良好的綜合性能,得到低電阻率、結(jié)構(gòu)致密和表面粗糙度小的銅鍍層。 盡管使用有機添加劑可實現(xiàn)深亞微米尺寸的銅電鍍,但往往會有微量的添加劑被包埋在銅鍍層中。對于鍍層來說,這些雜質(zhì)可能會提高電阻系數(shù),并且使銅在退火時不太容易形成大金屬顆粒。 540)this.width=540” vspace=5 圖3 電鍍銅表面添加劑作用示意圖 a= accelerator s= suppressor l= leveler cl=

9、 chloride ion 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)測電鍍液的有機添加劑含量。cvs測量儀器的主要供應(yīng)商是美國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改變的準確情況,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

10、。但直流電鍍只有電流/電壓一個可變參數(shù),而脈沖電鍍則有電流/電壓、脈寬、脈間三個主要可變參數(shù),而且還可以改變脈沖信號的波形。相比之下,脈沖電鍍對電鍍過程有更強的控制能力。最近幾年,關(guān)于脈沖電鍍在集成電路銅互連線中的應(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。而脈沖電鍍在電流導(dǎo)通時,接近陰極的金屬離子被充分地沉積;當(dāng)電流關(guān)斷時,陰極周圍的放電離子又重新恢復(fù)到初始濃度。這樣陰極表面擴散層內(nèi)的金屬離子濃度就得到了及時補充,擴散層周期間隙式形成,從而減薄了擴散層的實際厚度。而且關(guān)斷時間的存在不僅對陰極附近濃度恢復(fù)有好處,還會產(chǎn)生一些對沉積層有利的重結(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