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《超大規(guī)模集成電路銅互連電鍍工藝》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在工程資料-天天文庫。
1、超大規(guī)模集成電路銅互連電鍍工藝摘要: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;脈沖電鍍和化學電鍍在銅互連技術中的應用;以及銅互連電鍍工藝的發(fā)展動態(tài)。關鍵詞: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,銅已經取代鋁成為超大規(guī)模集成電路制造中的主流互連技術。作為鋁的替代物,銅導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(DualDamasc
2、ene),如圖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(SeedLayer)。Ta的作用是增強與Cu的黏附性,種籽層是作為電鍍時的導電層,8)之后就是銅互連線的電鍍工藝,9)最后是退火和化學機械拋光(CMP),對銅鍍層進行平坦化處理和清洗。540)this.Haas
3、等公司,其中Enthone公司的ViaForm系列添加劑目前應用較廣泛。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)。當晶片被浸入電鍍槽中時,添加劑立刻吸附在銅種籽層表面,如圖3所示。溝槽內首先進行的是均勻性填充,填充反應動力學受抑制劑控制。接著,當加速劑達到臨界濃度時,電鍍開始從均勻性填充轉變成由底部向上的填充。加速劑吸附在銅表面,降低電鍍反應的電化學反應勢,促進快速沉積反應。當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
4、,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,降低電鍍反應的電化學電位和陰極極化,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(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量一般大于1000,有效性與相對分子質量有關,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
5、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,因此會依賴質量運輸,這樣在深而窄的孔內與加速劑、抑制劑的吸附競爭中沒有優(yōu)勢,但在平坦和突
6、出的表面,質量傳輸更有效。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生影響的主要是平坦劑。銅電鍍是有機添加劑共同作用的結果,它們之間彼此競爭又相互關聯(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
7、在時各添加劑濃度的恰當值,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、結構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.metricStripping,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(HighPerformanceL
8、iquidChromatography,HPLC)分析技術有望能替代CVS。3.脈沖電鍍和化學鍍在銅互連中的應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/電壓一個可變參數(shù),而脈沖電鍍則有電流
