中心議題：

• 直流和脈衝電鍍Cu互連線的性能比較

解決方案：

• 電阻率測量結果比較
• ＸＲＤ測量結果比較
• ＡＦＭ測量結果比較
• SEM測量結果比較

隨著芯片集成度的不斷提高，Cu已經取代Ａｌ成為超大規模集成電路互連中的主流互連材料。在目前的芯片製造中，芯片的布線和互連幾乎全部是采用直流電鍍的方法獲得Cuduceng。zaizhiliudianduzhong，youyujinshuliziqujinyinjibuduanbeichenji，yinerbukebimiandizaochengnongchajihua。ermaichongdianduzaidianliudaotongshi，jiejinyinjidejinshulizibeichongfendichenji
；當電流關斷時，陰極周圍的放電離子又重新恢複到初始濃度。脈衝電鍍的主要優點有：降低濃差極化
，提高了陰極電流密度和電鍍效率；改善鍍層物理性能；所得鍍層具有較好的防護性；能獲得致密的低電阻率金屬沉積層。
　　
脈衝電鍍理論２０世紀初就已被提出。近幾年來，國外陸續發表了一些關於脈衝電鍍在集成電路Cu互連應用中的研究。目前國內
，針對脈衝電鍍Cu的研究主要集中在冶金級電鍍和印刷電路板（PCB）布線方麵，幾乎沒有關於脈衝電鍍應用於集成電路Cu互連的文獻報道。而在集成電路（IC）製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，因此對亞微米級厚度Cu鍍層的性能研究顯得尤為必要。本文將針對集成電路芯片Cu互連技術
，研究分別用脈衝電鍍和直流電鍍沉積得到的Cu鍍層性能。
　　
１實驗采用
　　
200ｍｍｐ型（100）Si片，首先在Si片上ＰＥＣＶＤ（ｃｏｎｃｅｐｔｏｎｅ200ｍｍｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｙｓｔｅｍ，Ｎｏｖｅｌｌｕｓ）澱積800nmSiO2介質層。接著用ＰＶＤ（Ｉｎｖｏａ200，Ｎｏｖｅｌｌｕｓ）濺射25nm的ＴａＮ／Ｔａ擴散阻擋層，然後用ＰＶＤ濺射50nm的Cu籽晶層。在電解槽中，陽極為高純度的Cu棒，外麵包裹一層過濾膜，其作用是電鍍時阻止固態不溶性雜質顆粒進入Cu鍍層，影響鍍層性能。將經ＰＶＤ濺射好Cu籽晶層的200ｍｍSi片切片後的小矩形片作為陰極（5cm×2cm）。電解槽底部靠近陰極處有一個磁力攪拌子
，電鍍時置於電解槽下麵的磁力攪拌儀產生磁場，驅動攪拌子勻速轉動，轉速設定為400r/min，這可以使電鍍過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＋17.5g/L，H2SO4175g/L
，C1-50mg/L，加速劑2mL/L，抑製劑8mL/L和平整劑1.5mL/L（添加劑均來自美國Enthone公司）。C1－能提高鍍層光亮度和平整性
，降低鍍層的內應力，增強抑製劑的吸附。加速劑通常是含Ｓ或其他官能團的有機物
，包括硫脲及其衍生物

，它的作用是促進Cu的成核，使各晶麵生長速度趨於均勻。抑製劑包括聚乙二醇（PEG）、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物等
，它的作用是和C1－一起在陰極表麵上形成一層連續膜以阻止Cu的沉積。平整劑通常是雜環化合物
，一般含有Ｎ原子，它的作用是降低鍍層表麵粗糙度。
　　
duiyumaichongdiandu，kaolvdaoducengyudianjieyejiemianjiancunzaidianweicha
，huizaiducengbiaomianxingchengyigeshuangdianceng，qizuoyongdengxiaoyuyigedianrong
，maichongpinlvruguotaida，shuangdiancengdianrongzaimaikuanhemaijianneilaibujichongfangdian，cishidemaichongdianliujiangjiejinyuzhiliudianliu。danruguomaichongpinlvtaixiao，dianliuxiaolvjiuhuibiandehendi，yincimaikuanhemaijiandeshijianyibandouxuanzaihaomiaoji。genjuwenxiandeyanjiujieguo
，gudington＝８ms，toff＝２ms
，研究不同平均電流密度的影響。實驗中通過設置不同的電流密度以及相對應的電鍍時間，將Cu鍍層厚度都較嚴格地控製在１μｍ。實驗中使用方波脈衝，測量的Cu鍍層薄膜參數包括電阻率、XRD
、SEM和AFM。
　　[page]
2結果和討論
　　
2.1電阻率測量結果

圖１是電沉積Cu層電阻率與電流密度之間的關係。可見，脈衝電鍍得到的Cu鍍層電阻率小於相同電流密度下的直流鍍層。在小電流密度時（＜2A／dm2），直流鍍層和脈衝鍍層的電阻率都較大。


2.2ＸＲＤ測量結果
　　
在ＸＲＤ測量中，以晶麵（hkl）的織構係數ＴＣ（ｔｅｘｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）來表征晶麵擇優程度。


式中：I（hkl）、I0（hkl）分別表示沉積層試樣和標準試樣（hkl）晶麵的衍射線強度

；ｎ為衍射峰個數。當各衍射麵的ＴＣ值相同時
，晶麵取向是無序的，如果某個（hkl）麵的TC值大於平均值
，則該晶麵為擇優取向。晶麵的TC值越大，其擇優程度越高。
　　
圖２中（a）和（b）分別為直流鍍層和脈衝鍍層織構係數與電流密度的關係。（111）晶麵抗電遷移的能力是（200）晶麵的４倍，因此（111）晶麵更有利於互連。兩張圖的變化趨勢類似，主要晶麵都是（111）和（200），但直流鍍層中（111）的擇優程度較脈衝鍍層稍好。通過對Cu種籽層進行ＸＲＤ後發現，籽晶Cu中（200）晶麵呈現絕對擇優。因此
，XRD的結果表明，直流電鍍的晶麵抗電遷移的能力要優於脈衝電鍍。由於１μｍ的Cu電(dian)鍍(du)層(ceng)太(tai)薄(bo)
，鍍(du)層(ceng)受(shou)到(dao)較(jiao)強(qiang)基(ji)體(ti)效(xiao)應(ying)的(de)影(ying)響(xiang)
，電(dian)沉(chen)積(ji)條(tiao)件(jian)對(dui)晶(jing)麵(mian)的(de)影(ying)響(xiang)很(hen)小(xiao)，因(yin)此(ci)籽(zi)晶(jing)層(ceng)的(de)晶(jing)麵(mian)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)決(jue)定(ding)了(le)鍍(du)層(ceng)的(de)晶(jing)麵(mian)情(qing)況(kuang)。有(you)文(wen)獻(xian)報(bao)道(dao)，當(dang)Cu鍍層超過４μｍ後，就基本不受基體外延的影響，而主要由電沉積條件決定，形成絕對優勢的擇優晶麵取向。

[page]

2.3ＡＦＭ測量結果
　　
圖３為脈衝電鍍與直流電鍍電沉積Cu鍍層表麵粗糙度ＲＭＳ（ｒｏｏｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅ）與電流密度的關係。可見脈衝所得鍍層表麵粗糙度僅為幾個納米，而直流所得鍍層表麵粗糙度在１０nm以上，最大時甚至達到了４０nm，這樣大的粗糙度將為後續CMP工藝造成極大的困難。而平整的表麵可以為CMP工藝提供一個易於進行處理的基底表麵，采用脈衝電鍍Cu鍍層的表麵粗糙度ＲＭＳ比直流電鍍的低。


2.4SEM測量結果
　　
圖４為脈衝電鍍與直流電鍍電沉積Cu鍍層的SEM照片。由於有機添加劑將極大地影響Cu晶粒的生長過程
，為了單獨考察電沉積條件對晶粒生長的影響

，SEM測(ce)量(liang)的(de)是(shi)在(zai)沒(mei)有(you)三(san)種(zhong)添(tian)加(jia)劑(ji)情(qing)況(kuang)下(xia)得(de)到(dao)的(de)鍍(du)層(ceng)。可(ke)見(jian)在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)下(xia)，脈(mai)衝(chong)所(suo)得(de)鍍(du)層(ceng)的(de)表(biao)麵(mian)晶(jing)粒(li)密(mi)度(du)遠(yuan)大(da)於(yu)直(zhi)流(liu)。之(zhi)所(suo)以(yi)會(hui)出(chu)現(xian)這(zhe)樣(yang)的(de)差(cha)別(bie)

，原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)脈(mai)衝(chong)關(guan)斷(duan)時(shi)間(jian)雖(sui)然(ran)對(dui)電(dian)鍍(du)效(xiao)率(lv)沒(mei)有(you)貢(gong)獻(xian)，但(dan)它(ta)並(bing)不(bu)是(shi)一(yi)個(ge)“死時間”。在關斷周期內可能發生一些對電結晶過程很有影響的現象，如重結晶
、吸xi脫tuo附fu等deng。在zai關guan斷duan時shi間jian內nei，晶jing粒li會hui長chang大da，這zhe是shi由you於yu晶jing粒li在zai關guan斷duan時shi間jian內nei發fa生sheng了le重zhong結jie晶jing現xian象xiang。從cong熱re力li學xue規gui律lv可ke知zhi
，晶jing粒li越yue大da越yue穩wen定ding。集ji成cheng電dian路lu芯xin片pian互hu連lian中zhong通tong常chang需xu要yao較jiao大da尺chi寸cun的de晶jing粒li，因yin為wei大da尺chi寸cun晶jing粒li的de晶jing粒li邊bian界jie較jiao少shao，偏pian折zhe電dian子zi的de幾ji率lv較jiao小xiao
，相xiang應ying的de電dian阻zu係xi數shu也ye較jiao小xiao，抗kang電dian遷qian移yi能neng力li也ye更geng強qiang。



本文研究了脈衝電鍍和直流電鍍所得Cu鍍層電阻率

、織構係數、晶粒大小和表麵粗糙度等特性參數。實驗結果表明
，在相同電流密度條件下，脈衝電鍍所得Cu鍍層電阻率較低、表麵粗糙度較小、表麵晶粒尺寸和晶粒密度較大，而直流電鍍所得鍍層（111）jingmiandezeyouchengduyouyumaichong。maichongdianduduidianchenjiguochengyouzhegengqiangdekongzhinengli

，nengjiangdinongchajihua，gaishanducengwulixingneng，huodezhimidedidianzulvjinshudianchenjiceng，suodeducengzaihenduoxingnengfangmianyouyuzhiliudiandu。zaichaodaguimojichengdianluCu互連技術中，脈衝電鍍將有良好的研究應用前景。