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Cu鍍(du)層(ceng)。在(zai)直(zhi)流(liu)電(dian)鍍(du)中(zhong)
，由(you)於(yu)金(jin)屬(shu)離(li)子(zi)趨(qu)近(jin)陰(yin)極(ji)不(bu)斷(duan)被(bei)沉(chen)積(ji)，因(yin)而(er)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地(di)造(zao)成(cheng)濃(nong)差(cha)極(ji)化(hua)。而(er)脈(mai)衝(chong)電(dian)鍍(du)在(zai)電(dian)流(liu)導(dao)通(tong)時(shi)，接(jie)近(jin)陰(yin)極(ji)的(de)金(jin)屬(shu)離(li)子(zi)被(bei)充(chong)分(fen)地(di)沉(chen)積(ji)；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。
　　
對dui於yu脈mai衝chong電dian鍍du，考kao慮lv到dao鍍du層ceng與yu電dian解jie液ye界jie麵mian間jian存cun在zai電dian位wei差cha
，會hui在zai鍍du層ceng表biao麵mian形xing成cheng一yi個ge雙shuang電dian層ceng，其qi作zuo用yong等deng效xiao於yu一yi個ge電dian容rong，脈mai衝chong頻pin率lv如ru果guo太tai大da

，雙shuang電dian層ceng電dian容rong在zai脈mai寬kuan和he脈mai間jian內nei來lai不bu及ji充chong放fang電dian，此ci時shi的de脈mai衝chong電dian流liu將jiang接jie近jin於yu直zhi流liu電dian流liu。但dan如ru果guo脈mai衝chong頻pin率lv太tai小xiao，電dian流liu效xiao率lv就jiu會hui變bian得de很hen低di，因yin此ci脈mai寬kuan和he脈mai間jian的de時shi間jian一yi般ban都dou選xuan在zai毫hao秒miao級ji。根gen據ju文wen獻xian的de研yan究jiu結jie果guo
，固gu定dington＝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。
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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。

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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，SEMceliangdeshizaimeiyousanzhongtianjiajiqingkuangxiadedaodeduceng。kejianzaixiangtongdedianliumiduxia，maichongsuodeducengdebiaomianjinglimiduyuandayuzhiliu。zhisuoyihuichuxianzheyangdechabie
，yuanyinzaiyumaichongguanduanshijiansuiranduidianduxiaolvmeiyougongxian
，dantabingbushiyige“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

、xituofudeng。zaiguanduanshijiannei，jinglihuichangda，zheshiyouyujinglizaiguanduanshijianneifashenglezhongjiejingxianxiang。congrelixueguilvkezhi，jingliyuedayuewending。jichengdianluxinpianhulianzhongtongchangxuyaojiaodachicundejingli
，yinweidachicunjinglidejinglibianjiejiaoshao，pianzhedianzidejilvjiaoxiao
，xiangyingdedianzuxishuyejiaoxiao，kangdianqianyinengliyegengqiang。



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）晶(jing)麵(mian)的(de)擇(ze)優(you)程(cheng)度(du)優(you)於(yu)脈(mai)衝(chong)。脈(mai)衝(chong)電(dian)鍍(du)對(dui)電(dian)沉(chen)積(ji)過(guo)程(cheng)有(you)著(zhe)更(geng)強(qiang)的(de)控(kong)製(zhi)能(neng)力(li)
，能(neng)降(jiang)低(di)濃(nong)差(cha)極(ji)化(hua)，改(gai)善(shan)鍍(du)層(ceng)物(wu)理(li)性(xing)能(neng)，獲(huo)得(de)致(zhi)密(mi)的(de)低(di)電(dian)阻(zu)率(lv)金(jin)屬(shu)電(dian)沉(chen)積(ji)層(ceng)
，所(suo)得(de)鍍(du)層(ceng)在(zai)很(hen)多(duo)性(xing)能(neng)方(fang)麵(mian)優(you)於(yu)直(zhi)流(liu)電(dian)鍍(du)。在(zai)超(chao)大(da)規(gui)模(mo)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)Cu互連技術中，脈衝電鍍將有良好的研究應用前景。