集成電路銅互連分析論文

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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展動態。

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(DualDamascene),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。

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,呈淡藍色。當電源加在銅(陽極)和硅片(陰極)之間時,溶液中產生電流并形成電場。陽極的銅發生反應轉化成銅離子和電子,同時陰極也發生反應,陰極附近的銅離子與電子結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。

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電流密度不均勻的微小局部區域(超填充區)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量很大程度上取決于電鍍液的化學性能,有機添加劑是改善電鍍液性能非常關鍵的因素,填充性能與添加劑的成份和濃度密切相關,關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商有Enthone、Rohm&Haas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揮作用,抑制銅的繼續沉積,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抑制電流的單層膜,通過阻礙銅離子擴散來抑制銅的繼續沉積。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勢,但在平坦和突出的表面,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。為實現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,并且使銅在退火時不太容易形成大金屬顆粒。

圖3電鍍銅表面添加劑作用示意圖

A=AcceleratorS=Suppressor

L=LevelerCl=ChlorideIon

電鍍過程中添加劑不斷地被消耗,為了保證鍍層的品質,需要隨時監控添加劑的濃度。目前主要使用閉環的循環伏安剝離法(CylicVoltammetricStripping,CVS)來監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(HighPerformanceLiquidChromatography,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,而脈沖電鍍則有電流/電壓、脈寬、脈間三個主要可變參數,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,關于脈沖電鍍在集成電路銅互連線中的應用研究越來越受到重視[3,4]。

脈沖電鍍銅所依據的電化學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,從而改善鍍層的物理化學性能。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通時,接近陰極的金屬離子被充分地沉積;當電流關斷時,陰極周圍的放電離子又重新恢復到初始濃度。這樣陰極表面擴散層內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。而且關斷時間的存在不僅對陰極附近濃度恢復有好處,還會產生一些對沉積層有利的重結晶、吸脫附等現象。脈沖電鍍的主要優點有: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,這就是化學鍍。化學鍍不同于電鍍,它是利用氧化還原反應使金屬離子被還原沉積在基板表面,其主要特點是不需要種籽層,能夠在非導體表面沉積,具有設備簡單、成本較低等優點。化學鍍目前在集成電路銅互連技術中的應用主要有:沉積CoWP等擴散阻擋層和沉積銅種籽層。最近幾年關于化學鍍銅用于集成電路銅互連線以及溝槽填充的研究亦成為一大熱點,有研究報道通過化學鍍同樣可以得到性能優良的銅鍍層[5,6]。但是化學鍍銅通常采用甲醛做為還原劑,存在環境污染的問題。

4.銅互連工藝發展趨勢

使用原子層沉積(ALD,AtomicLayerDeposition)技術沉積阻擋層和銅的無種籽層電鍍是目前銅互連技術的研究熱點[7]。

在當前的銅互連工藝中,擴散阻擋層和銅種籽層都是通過PVD工藝制作。但是當芯片的特征尺寸變為45nm或者更小時,擴散阻擋層和銅種籽層的等比例縮小將面臨嚴重困難。首先,種子層必須足夠薄,這樣才可以避免在高縱寬比結構上沉積銅時出現頂部外懸結構,防止產生空洞;但是它又不能太薄。其次,擴散層如果減薄到一定厚度,將失去對銅擴散的有效阻擋能力。還有,相對于銅導線,阻擋層橫截面積占整個導線橫截面積的比例變得越來越大。但實際上只有銅才是真正的導體。例如,在65nm工藝時,銅導線的寬度和高度分別為90nm和150nm,兩側則分別為10nm。這意味著橫截面為13,500nm2的導線中實際上只有8,400nm2用于導電,效率僅為62.2%[7]。

目前最有可能解決以上問題的方法是ALD和無種籽電鍍。使用ALD技術能夠在高深寬比結構薄膜沉積時具有100%臺階覆蓋率,對沉積薄膜成份和厚度具有出色的控制能力,能獲得純度很高質量很好的薄膜。而且,有研究表明:與PVD阻擋層相比,ALD阻擋層可以降低導線電阻[7]。因此ALD技術很有望會取代PVD技術用于沉積阻擋層。不過ALD目前的缺點是硬件成本高,沉積速度慢,生產效率低。

此外,過渡金屬-釕可以實現銅的無種籽電鍍,在釕上電鍍銅和普通的銅電鍍工藝兼容。釕的電阻率(~7μΩ-cm),熔點(~2300℃),即使900℃下也不與銅發生互熔。釕是貴金屬,不容易被氧化,但即使被氧化了,生成的氧化釕也是導體。由于釕對銅有一定的阻擋作用,在一定程度上起到阻擋層的作用,因此釕不僅有可能取代擴散阻擋層常用的Ta/TaN兩步工藝,而且還可能同時取代電鍍種籽層,至少也可以達到減薄阻擋層厚度的目的。況且,使用ALD技術沉積的釕薄膜具有更高的質量和更低的電阻率。但無種籽層電鍍同時也為銅電鍍工藝帶來新的挑戰,釕和銅在結構上的差異,使得釕上電鍍銅與銅電鍍并不等同,在界面生長,沉積模式上還有許多待研究的問題。

5.結語

銅互連是目前超大規模集成電路中的主流互連技術,而電鍍銅是銅互連中的關鍵工藝之一。有機添加劑是銅電鍍工藝中的關鍵因素,各種有機添加劑相互協同作用但又彼此競爭,恰當的添加劑濃度能保證良好的電鍍性能。在45nm或更小特征尺寸技術代下,為得到低電阻率、無孔洞和缺陷的致密銅鍍層,ALD和無種籽電鍍被認為是目前最有可能的解決辦法。此外,研究開發性能更高的有機添加劑也是途徑之一,而使用新的電鍍方式(比如脈沖電鍍)也可能提高銅鍍層的質量。

參考文獻

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