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关 键 词：铜互连，添加剂，脉冲电镀，粗糙度 作 者： 内 容： １引言
随着芯片集成度的不断提高，铜已经逐渐取代铝成为超大规模集成电路制造中的主流互连材料。传统的半导体工艺主要是采用铝作为金属互连材料，但在很小的特征尺寸情况下信号延时受到越来越大的限制。作为铝的替代物，铜互连可以降低互连阻抗，降低功耗和成本，提高芯片的集成度，器件密度和时钟频率［１，２］。
由于对铜的刻蚀非常困难，因此铜互连采用镶嵌工艺（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）。在刻好的沟槽内先溅射扩散阻挡层和铜种籽层，然后通过电镀在沟槽内填充铜，最后采用ＣＭＰ（化学机械抛光）工艺实现平坦化。
电镀是完成铜填充的主要工艺。铜电镀液通常由硫酸铜、硫酸和水组成，呈淡蓝色。在电镀溶液中，当电源加在硅片（阴极）和铜（阳极）之间时，溶液中产生电流并形成电场。然后，阳极的铜发生反应转化成铜离子和电子，同时阴极发生反应，铜离子与电子结合形成镀在硅片表面的铜。电镀的主要目的是在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。电镀后的表面应尽可能平坦，以减少后续ＣＭＰ工艺中可能出现的凹坑和腐蚀问题。
为实现上述效果需要使用三种有机添加剂：加速剂（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）、抑制剂（Ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ）和平坦剂（Ｌｅｖｅｒｌｅｒ）。当晶片被浸入电镀槽时，首先进行的是均匀性填充，填充反应动力学受抑制剂控制。接着，当加速剂达到临界浓度时，电镀开始从均匀性填充转变成由底部向上的填充。加速剂吸附在铜表面，降低电镀反应的电化学反应势，促进快速沉积反应。在填充过程完成后，表面吸附的平坦剂会抑制铜的继续沉积，以减小表面的粗糙度。
由于铜电镀要求在厚度均匀的整个硅片镀层以及电流密度不均匀的微小局部区域（超填充区）能够同时传输差异很大的电流密度，因此填充效果很大程度上取决于电镀液的化学成份，添加剂是其中非常关键的因素，填充性能与添加剂的成份和浓度关系很大。添加剂往往是在一起共同起作用，为实现无空洞和无缺陷电镀，除了要改进各个添加剂的单项性能，还必须在三者之间互相平衡，最终才能达到良好的综合性能［３，４，５］。
目前生产添加剂的厂家有Ｅｎｔｈｏｎｅ、Ｒｏｈｍ＆ｈａａｓ等公司。其中Ｅｎｔｈｏｎｅ公司拥有较大的市场份额，Ｅｎ－ｔｈｏｎｅ公司的ＶｉａＦｏｒｍ系列添加剂目前应用较广泛。本文将以ＶｉａＦｏｒｍ添加剂为例，研究添加剂对铜镀层性能的影响。
２实验
使用ＣＨＩ４００电化学工作站对不同添加剂成份的电镀液性能进行测试。工作电极为铂（直径０．２ｃｍ），对电极为铂丝，参比电极为饱和甘汞电极。电镀采用８英寸Ｐ型（１００）硅片，首先在硅片上ＰＥＣＶＤ（ＣｏｎｃｅｐｔＯｎｅ２００ｍｍＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＳｙｓｔｅｍ，Ｎｏｖｅｌｌｕｓ）淀积８００ｎｍＳｉＯ２介质层。接着用ＰＶＤ（Ｉｎｖｏａ２００，Ｎｏｖｅｌｌｕｓ）溅射２５ｎｍ的ＴａＮ／Ｔａ扩散阻挡层，再用ＰＶＤ溅射５０ｎｍ的Ｃｕ籽晶层。最后是电镀铜，为了便于比较，所有铜镀层厚度均为１μｍ。
在电解槽中，阳极为高纯度的铜棒，外面包裹一层过滤膜，其作用是电镀时阻止杂质进入铜镀层，影响镀层性能。将经ＰＶＤ溅射好铜籽晶层的８英寸硅片切片后的小矩形片作为阴极（５ｃｍ×２ｃｍ）。电解槽底部靠近阴极处有一个磁力搅拌子，电镀时，置于电解槽下面的磁力搅拌仪产生磁场，驱动搅拌子匀速转动，转速设定为４００转／分，这可以使电镀过程中阴极附近电解液中的铜离子浓度保持正常，降低浓差极化和提高阴极电流密度，加快沉积速度。ＶＭＳ（ＶｉｒｇｉｎＭａｋｅ－ｕｐＳｏｌｕｔｉｏｎ）电镀液成份为：Ｃｕ２＋１７．５ｇ／Ｌ，Ｈ２ＳＯ４１７５ｇ／Ｌ，Ｃｌ－５０ｍｇ／Ｌ。Ｃｌ离子能提高镀层光亮度和平整性，降低镀层的内应力，增强抑制剂的吸附。
３加速剂和抑制剂对电镀液性能的影响
在目前的芯片制造中，芯片的布线和互连几乎全部是采用直流电镀的方法获得铜镀层。直流电镀只有电流／电压一个可变参数，脉冲电镀则有电流／电压、脉宽、脉间三个主要可变参数，而且还可以改变脉冲信号的波形。相比之下，脉冲电镀对电镀过程有更强的控制能力。使用ＣＨＩ４４０电化学工作站的计时电势分析法（Ｃｈｒｏｎｏｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｙ），采用５０Ｈｚ的方波脉冲，占空比为５０％，平均电流密度为４Ａ／ｄｍ２。
加速剂通常是含有硫或是其它官能团的有机物，例如聚二硫二丙烷磺酸钠（ＳＰＳ），或３－巯基丙烷磺酸（ＭＰＳＡ），包括硫脲及其衍生物。加速剂的作用一方面是促进Ｃｕ的成核；另一方面，优先吸附在某些活性较高、生长速度较快的晶面上，使得吸附金属原子进入这些活性点有困难，于是这些晶面的生长速度下降。这样，就有可能使各个晶面的生长速度趋于均匀，形成结构致密、定向排列整齐的晶体。
固定抑制剂（Ｓ）浓度为８ｍｌ／Ｌ，平坦剂（Ｌ）浓度为１．５ｍｌ／Ｌ，改变加速剂（Ａ）浓度。当溶液中没有加速剂时，工作电极上的电位是最高的，随着加速剂浓度的不断增大，电势逐渐降低。这说明电镀时，加速剂会吸附在铜表面，降低电镀反应的电化学反应势和阴极极化，促进快速沉积反应。
抑制剂包括聚乙二醇（ＰＥＧ）、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物，一般是长链聚合物。抑制剂的相对分子质量高（平均相对分子质量＞１０００），有效性与相对分子质量有关，扩散系数低，溶解度较小。在氯离子的共同作用下，抑制剂通过扩散－淀积在阴极表面上形成一层连续抑制电流的单层膜，通过阻碍铜离子扩散来抑制铜的继续沉积。抑制剂能够吸附在硅片的表面形成扩散层，阻化或减少平坦剂的扩散传递，而加大在刻槽口的吸附，达到平整化效果。氯离子的存在，可以加强其吸附和阻化作用。抑制剂的含量通常远大于加速剂和平坦剂，这样抑制剂在界面处的浓度就不依赖于它们的质量传输速率或者向表面的扩散速率。
固定加速剂浓度为２ｍｌ／Ｌ，平坦剂浓度为１．５ｍｌ／Ｌ，改变抑制剂浓度。没有抑制剂时，电镀液中电位和ＶＭＳ溶液的电位差不多。但是当抑制剂存在时，电势立刻增加非常大，之后电势随抑制剂浓度增加变化不明显，说明抑制剂在溶液中存在饱和效应。和加速剂的作用相反，抑制剂增加了电镀反应的电化学反应势和阴极极化，抑制了电沉积过程。
目前铜互连工艺中的电镀铜的超填充就是通过加速剂和抑制剂的共同作用完成的。
４平坦剂对镀层表面粗糙度的影响
超填充过程完成后加速剂并不能自动停止作用，而是漂浮在铜表面继续促进铜沉积反应。由于狭窄、密集结构的填充速度比宽阔、空旷结构快，因此会引起密集区过度电镀，大大增加镀层表面的粗糙度，给后续的ＣＭＰ工艺造成问题。平坦剂就是专为解决这一问题而设计，平坦剂对于超填充过程没有决定性的影响，但当填充完成后能引起加速剂的分解，避免铜晶粒的过度生长。
平坦剂一般含有氮原子，通常是含氮的高分子聚合物。平坦剂的浓度通常较低，粘度较大，因此会依赖质量运输，这样在深而窄的孔内与加速剂、抑制剂的吸附竞争中没有优势，但在平坦和突出的表面，质量传输更有效。吸附了平坦剂的地方电流因而受到明显抑制，进而抑制铜的沉积。平坦剂可以在较密的细线条上方抑制铜的过度沉积而获得较好的平坦化效果，保证了较小尺寸的图形不会被提前填满，有效地降低了镀层表面起伏。
固定加速剂浓度为２ｍｌ／Ｌ，抑制剂浓度为８ｍｌ／Ｌ，改变平坦剂浓度，使用电镀槽对芯片进行电镀。采用５０Ｈｚ的方波脉冲，占空比为５０％，平均电流密度为４Ａ／ｄｍ２。在没有平坦剂的情况下，中铜镀层表面分布有大量过度生长的铜晶粒，这时候表面的粗糙度也最大。随着平坦剂含量的增加，镀层表面的铜晶粒数量明显减少。虽然仍可以看到极少数的晶粒隆
但它们明显被平坦剂所包裹着，这时候已经接近平坦剂的最佳浓度。当平坦剂浓度很高时，镀层表面再度观察到铜晶粒的出现，而且除了表面的铜晶粒之外，镀层还有很明显的大面积表面凹陷。
是对铜镀层表面粗糙度（方均根值，ＲＭＳ）的测量结果。可见，随着平坦剂浓度增加，铜镀层表面粗糙度先减小后增大，最小值不到１０纳米。由此可以预见，在平坦剂达到某一最佳浓度时，可以使得镀层表面的粗糙度最小，这和ＳＥＭ图象的结果是一致的。平整的铜镀层表面将为后续的ＣＭＰ工艺带来方便。
５总结
本文研究了在脉冲条件下，不同添加剂浓度对铜镀层性能的影响。加速剂在铜电镀中的作用是降低阴极极化和电化学反应势，抑制剂的作用正好和它相反。它们共同对电镀过程产生影响，铜的超填充就是加速剂和抑制剂共同作用的结果。平坦剂虽然对超填充过程没有决定性的影响，但当填充完成后它能避免铜晶粒的过度生长，降低镀层的表面粗糙度，以利于后续的ＣＭＰ工艺处理。
由于在铜互连的电沉积过程中，添加剂往往是共同对填充过程产生影响，因此除了改进加速剂、抑制剂和整平剂的各个单项性能表现外，还需要确定几种添加剂同时存在时各浓度的恰当值，使三者之间互相平衡，才能最终达到良好的综合性能，得到低电阻率、结构致密和表面粗糙度小的铜镀层。此外，采用先进的电镀方法（例如脉冲电镀），选取恰当的电镀参数也是改进铜互连线性能的一个研究方向。 注：本站部分资料需要安装PDF阅读器才能查看，如果你不能浏览文章全文，请检查你是否已安装PDF阅读器！ |
