直流和脈沖電鍍Cu互連線的性能比較
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隨著芯片集成度的不斷提高，Cu已經(jīng)取代A1成為超大規(guī)模集成電路互連中的主流互連材料。在目前的芯片制造中，芯片的布線和互連幾乎全部是采用直流電鍍的方法獲得Cu鍍層。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(dǎo)通時(shí)，接近陰極的金屬離子被充分地沉積；當(dāng)電流關(guān)斷時(shí)，陰極周?chē)姆烹婋x子又重新恢復(fù)到初始濃度。脈沖電鍍的主要優(yōu)點(diǎn)有：降低濃差極化，提高了陰極電流密度和電鍍效率；改善鍍層物理性能；所得鍍層具有較好的防護(hù)性；能獲得致密的低電阻率金屬沉積層。
脈沖電鍍理論20世紀(jì)初就已被提出。近幾年來(lái)，國(guó)外陸續(xù)發(fā)表了一些關(guān)于脈沖電鍍?cè)诩呻娐稢u互連應(yīng)用中的研究。目前國(guó)內(nèi)，針對(duì)脈沖電鍍Cu的研究主要集中在冶金級(jí)電鍍和印刷電路板(PCB)布線方面，幾乎沒(méi)有關(guān)于脈沖電鍍應(yīng)用于集成電路Cu互連的文獻(xiàn)報(bào)道。而在集成電路(IC)制造采用的是成熟的直流電鍍工藝。PCB中線路的特征尺寸約為幾十微米，而芯片中Cu互連的特征尺寸是1μm，因此對(duì)亞微米級(jí)厚度Cu鍍層的性能研究顯得尤為必要。本文將針對(duì)集成電路芯片Cu互連技術(shù)，研究分別用脈沖電鍍和直流電鍍沉積得到的Cu鍍層性能。
1 實(shí)驗(yàn)
采用200 mm p型(100)Si片，首先在Si片上PECVD(concept one 200 mm dielectric system，Novellus)淀積800 nm SiO2介質(zhì)層。接著用PVD(Invoa 200，Novellus)濺射25 nm的TaN／Ta擴(kuò)散阻擋層，然后用PVD濺射50 nm的Cu籽晶層。在電解槽中，陽(yáng)極為高純度的Cu棒，外面包裹一層過(guò)濾膜，其作用是電鍍時(shí)阻止固態(tài)不溶性雜質(zhì)顆粒進(jìn)入Cu鍍層，影響鍍層性能。將經(jīng)PVD濺射好Cu籽晶層的200 mm Si片切片后的小矩形片作為陰極(5 cm×2 cm)。電解槽底部靠近陰極處有一個(gè)磁力攪拌子，電鍍時(shí)置于電解槽下面的磁力攪拌儀產(chǎn)生磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)攪拌子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為400r／min，這可以使電鍍過(guò)程中陰極附近電解液中的Cu離子濃度保持正常，降低濃差極化和提高陰極電流密度，加快沉積速度。
電鍍液成分為Cu2+17．5 g／L，H2S04 175 g／L，Cl一50 mg／L，加速劑2 mL／L，抑制劑8 mL／L和平整劑1．5 mL／L(添加劑均來(lái)自美國(guó)Enthone公司)。Cl一能提高鍍層光亮度和平整性，降低鍍層的內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)抑制劑的吸附。加速劑通常是含S或其他官能團(tuán)的有機(jī)物，包括硫脲及其衍生物，它的作用是促進(jìn)Cu的成核，使各晶面生長(zhǎng)速度趨于均勻。抑制劑包括聚乙二醇(PEG)、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物等，它的作用是和Cl一一起在陰極表面上形成一層連續(xù)膜以阻止Cu的沉積。平整劑通常是雜環(huán)化合物，一般含有N原子，它的作用是降低鍍層表面粗糙度。
對(duì)于脈沖電鍍，考慮到鍍層與電解液界面間存在電位差，會(huì)在鍍層表面形成一個(gè)雙電層，其作用等效于一個(gè)電容，脈沖頻率如果太大，雙電層電容在脈寬和脈間內(nèi)來(lái)不及充放電，此時(shí)的脈沖電流將接近于直流電流。但如果脈沖頻率太小，電流效率就會(huì)變得很低，因此脈寬和脈間的時(shí)間一般都選在毫秒級(jí)。根據(jù)文獻(xiàn)的研究結(jié)果，固定ton=8ms，toff=2ms，研究不同平均電流密度的影響。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)設(shè)置不同的電流密度以及相對(duì)應(yīng)的電鍍時(shí)間，將Cu鍍層厚度都較嚴(yán)格地控制在1μm。實(shí)驗(yàn)中使用方波脈沖，測(cè)量的Cu鍍層薄膜參數(shù)包括電阻率、XRD、SEM和AFM。
2 結(jié)果和討論
2．1 電阻率測(cè)量結(jié)果
圖1是電沉積Cu層電阻率與電流密度之間的關(guān)系。可見(jiàn)，脈沖電鍍得到的Cu鍍層電阻率小于相同電流密度下的直流鍍層。在小電流密度時(shí)(2 A／dm2)，直流鍍層和脈沖鍍層的電阻率都較大。
2．2 XRD測(cè)量結(jié)果
在XRD測(cè)量中，以晶面(hkl)的織構(gòu)系數(shù)TC(texture coefficient)來(lái)表征晶面擇優(yōu)程度。
式中：I(hkl)、I0(hkl)分別表示沉積層試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣(hkl)晶面的衍射線強(qiáng)度；n為衍射峰個(gè)數(shù)。當(dāng)各衍射面的TC值相同時(shí)，晶面取向是無(wú)序的，如果某個(gè)(hkl)面的TC值大于平均值，則該晶面為擇優(yōu)取向。晶面的TC值越大，其擇優(yōu)程度越高。
圖2中(a)和(b)分別為直流鍍層和脈沖鍍層織構(gòu)系數(shù)與電流密度的關(guān)系。(111)晶面抗電遷移的能力是(200)晶面的4倍，因此(111)晶面更有利于互連。兩張圖的變化趨勢(shì)類(lèi)似，主要晶面都是(111)和(200)，但直流鍍層中(111)的擇優(yōu)程度較脈沖鍍層稍好。通過(guò)對(duì)Cu種籽層進(jìn)行XRD后發(fā)現(xiàn)，籽晶Cu中(200)晶面呈現(xiàn)絕對(duì)擇優(yōu)。因此，XRD的結(jié)果表明，直流電鍍的晶面抗電遷移的能力要優(yōu)于脈沖電鍍。由于1 μm的Cu電鍍層太薄，鍍層受到較強(qiáng)基體效應(yīng)的影響，電沉積條件對(duì)晶面的影響很小，因此籽晶層的晶面在很大程度上決定了鍍層的晶面情況。有文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)Cu鍍層超過(guò)4 μm后，就基本不受基體外延的影響，而主要由電沉積條件決定，形成絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的擇優(yōu)晶面取向。
評(píng)論