資源描述：
《超大規(guī)模集成電路銅互連電鍍工藝》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)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(jī)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(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(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),對銅鍍層進(jìn)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(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(jìn)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
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(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(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(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,通過阻礙銅離子擴(kuò)散來抑制銅的繼續(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,但對銅的超填充過程非常重要。如果氯濃度過低,會(huì)使抑制劑的作用減弱;若氯濃度過高,則會(huì)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(huì)依賴質(zhì)量運(yùn)輸,這樣在深而窄的孔內(nèi)與加速劑、抑制劑的吸附競爭中沒有優(yōu)勢,但在平坦和突
6、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,可以抑制銅過度的沉積。平坦劑通過在較密的細(xì)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(huì)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。銅電鍍是有機(jī)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(shí)現(xiàn)無空洞和無缺陷電鍍,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時(shí)存
7、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。對于鍍層來說,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。540)this.metricStripping,CVS)來監(jiān)測電鍍液的有機(jī)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(shí)改變的準(zhǔn)確情況,高效液相色譜(HighPerformanceL
8、iquidChromatography,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
