超大规模集成电路铜互连电镀工艺(1)
2017-09-26 04:08
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摘要:介绍了集成电路铜互连双嵌入式工艺和电镀铜的原理;有机添加剂在电镀铜中的重要作用及对添加剂含量的监测技术;脉冲电镀和化学电镀在铜互连技术中的应用;以及铜互连电镀工艺的发展动态。
关键词:集成电路,铜互连,电镀,阻挡层
1.双嵌入式铜互连工艺
随着芯片集成度的不断提高,铜已经取代铝成为超大规模集成电路制造中的主流互连技术。作为铝的替代物,铜导线可以降低互连阻抗,降低功耗和成本,提高芯片的集成度、器件密度和时钟频率。
由于对铜的刻蚀非常困难,因此铜互连采用双嵌入式工艺,又称双大马士革工艺(dual damascene),如图1所示,1)首先沉积一层薄的氮化硅(si3n4)作为扩散阻挡层和刻蚀终止层,2)接着在上面沉积一定厚度的氧化硅(sio2),3)然后光刻出微通孔(via),4)对通孔进行部分刻蚀,5)之后再光刻出沟槽(trench),6)继续刻蚀出完整的通孔和沟槽,7)接着是溅射(pvd)扩散阻挡层(tan/ta)和铜种籽层(seed layer)。ta的作用是增强与cu的黏附性,种籽层是作为电镀时的导电层,8)之后就是铜互连线的电镀工艺,9)最后是退火和化学机械抛光(cmp),对铜镀层进行平坦化处理和清洗。
图1 铜互连双嵌入式工艺示意图
电镀是完成铜互连线的主要工艺。集成电路铜电镀工艺通常采用硫酸盐体系的电镀液,镀液由硫酸铜、硫酸和水组成,呈淡蓝色。当电源加在铜(阳极)和硅片(阴极)之间时,溶液中产生电流并形成电场。阳极的铜发生反应转化成铜离子和电子,同时阴极也发生反应,阴极附近的铜离子与电子结合形成镀在硅片表面的铜,铜离子在外加电场的作用下,由阳极向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度损耗,如图2所示。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。
图2 集成电路电镀铜工艺示意图
2. 电镀铜工艺中有机添加剂的作用
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,再加上集成电路特征尺寸不断缩小,和沟槽深宽比增大,沟槽的填充效果和镀层质量很大程度上取决于电镀液的化学性能,有机添加剂是改善电镀液性能非常关键的因素,填充性能与添加剂的成份和浓度密切相关,关于添加剂的研究一直是电镀铜工艺的重点之一[1,2]。目前集成电路铜电镀的添加剂供应商有enthone、rohm
