超大規(guī)模集成電路銅互連電鍍工藝 .doc

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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(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(chēng)雙大馬士革工藝(DualDamascene

2、),如圖1所示,1)首先沉積一層薄的氮化硅(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(SeedLayer)。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。540)this.width=540"

3、vspace=5>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。540)this.width=540"vspac

4、e=5>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4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ViaF

5、orm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)到臨界濃度時(shí),電鍍開(kāi)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(kāi)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

6、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)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(kāi)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

7、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(lài)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(lài)質(zhì)量運(yùn)輸,這樣在深而窄的孔內(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

8、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(mǎn),有效地降低了鍍層