集成电路铜互连线脉冲电镀研究
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互连中的主流互连技术。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，脉冲电镀则只有电流/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。
关于脉冲电镀的理论在上个世纪初就有人提出。近几年来，国外陆续发表了一些关于脉冲电镀在集成电路铜互连应用中的研究 。但是目前在国内，针对脉冲电镀铜的研究主要集中在冶金级电镀和印刷电路板（PCB）布线方面，几乎没有关于脉冲电镀应用于集成电路铜互连的文献报道 。PCB中线路的特征尺寸约为几十微米，而芯片中铜互连的特征尺寸是 1μm，因此对亚微米级厚度铜镀层的性能研究显得尤为必要。本文将针对集成电路芯片铜互连技术，研究使用脉冲电镀沉积的铜镀层性能，以及脉冲参数对镀层的影响。
脉冲电镀铜所依据的电化学原理是利用脉冲张驰增加阴极的活化极化，降低阴极的浓差极化，从而改善镀层的物理化学性能。在直流电镀中，由于金属离子趋近阴极不断被沉积，因而不可避免地造成浓差极化。而脉冲电镀在电流导通时，接近阴极的金属离子被充分地沉积；当电流关断时，阴极周围的放电离子又重新恢复到初始浓度。这样阴极表面扩散层内的金属离子浓度就得到了及时补充，扩散层周期间隙式形成，从而减薄了扩散层的实际厚度。如果使用短脉冲，则将出现非常大的电流强度，这将使金属离子处在直流电镀实现不了的极高过电位下沉积，极化程度加大，分散能力更好，从而改善镀层性能，其作用和在电镀液中加入添加剂的作用相似。关断时间的存在不仅对阴极附近浓度恢复有好处，而且还会产生一些对沉积层有利的重结晶、吸脱附等现象。
脉冲电镀的主要优点有：降低浓差极化，提高了阴极电流密度和电镀效率；减少氢脆和镀层孔隙，提高纯度，改善镀层物理性能；所得镀层具有较好的防护性；能获得致密的低电阻率金属沉积层。
2、实验
采用φ200mm p型（1 0 0）硅片，首先在硅片上PECVD（Concept One 200mm Dielectric System，Novellus）淀积800nm SiO2介质层。然后用PVD（Invoa 200，Novellus）溅射25nm的TaN/Ta扩散阻挡层，然后用PVD溅射50nm的Cu 籽晶层。
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 φ200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 r/min，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。
电镀液成分为： 离子含量17.5 g/L，H2SO4含量175 g/L，Cl 离子含量50 mg/L，加速剂2 ml/L，抑制剂8ml/L和整平剂1.5ml/L（添加剂均来自美国Enthone公司）。 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。加速剂通常是含硫或其它官能团的有机物，包括硫脲及其衍生物，它的作用是促进铜的成核，使各晶面生长速度趋于均匀。抑制剂包括聚乙二醇（PEG）、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物等，它的作用是和Cl 离子一起在阴极表面上形成一层连续膜以阻止铜的沉积。整平剂通常是杂环化合物，一般含有氮原子，它的作用是降低镀层表面粗糙度。
考虑到镀层与电解液界面间存在电位差，会在镀层表面形成一个双电层，其作用等效于一个电容，脉冲频率如果太大，双电层电容在脉宽和脉间内来不及充放电，此时的脉冲电流将接近于直流电流。但如果脉冲频率太小，电流效率就会变得很低，因此脉宽和脉间的时间一般都选在毫秒级。根据文献 的研究结果，固定Ton=8ms，T off=2ms，研究不同平均电流密度的影响，此时的镀层结构致密，粗糙度较小，填充能力强。实验中通过设置不同的电镀时间将铜镀层厚度都较严格地控制在1μm。实验中使用方波脉冲，测量的参数包括电阻率、 XRD、SEM 和AFM。
3、结果和讨论
3.1 电阻率测试结果
图1为不同平均电流密度下铜镀层的电阻率曲线。从图中可见，随着电流密度的增加，铜镀层电阻率呈现先急剧下降再缓慢上升的趋势。实验表明，在中等电流强度（2～8A/dm2 ）时，用脉冲电镀可以得到电阻率较小（小于2.0×10 -6Ω·cm）的铜镀层。
3.2 XRD测试结果
考虑到晶粒尺寸细化引起衍射峰宽化，晶粒尺寸可由谢乐（Scherrer）公式计算[15]：
公式中，K为Scherrer常数；λ 为X射线的波长； Wb为薄膜衍射峰的积分宽度；W s为仪器宽化；θ为衍射峰的衍射角。
XRD的测试数据如图2所示，所得铜镀层中主要为（111）晶面和（200）晶面，此外还有极少量的（220）晶面，但是（111）晶面和（200）晶面的择优程度相当，没有形成绝对的择优取向。因此使用（200）晶面强度和（111）晶面强度的比值来作为考察铜镀层晶面变化的参数，它们随电流密度的变化关系见于图2。铜的这一标准比值为0.46，对铜籽晶层的XRD测试显示籽晶层这一比值为0.92，属（200）择优晶面。由于1μm的铜电镀层太薄，镀层受到较强基体效应的影响，电沉积条件对晶面的影响很小，因此籽晶层的晶面在很大程度上决定了镀层的晶面情况。当铜镀层超过4μm后，就基本不受基体外延的影响，而主要由电沉积条件决定，形成绝对优势的择优晶面取向[15]。
此外，只有在0.38A/dm2电流情况下铜电镀层的XRD图谱中观察到了一定强度的Si（400）峰，这很可能是因为低电流下电镀形成大晶粒，导致镀层中存在较大的缝隙，从而X射线能衍射通过大约1μm的铜镀层探测到下面的Si元素。在其他电流情况下则没有这个峰，说明低电流下铜镀层的结构不致密。
根据XRD测试数据，由谢乐公式计算晶粒直径，再分别做出（111）晶面和（200）晶面晶粒直径随电流密度的变化关系，如图3所示。（111）晶面和（200）晶面晶粒直径随电流密度的变化很相似，都是随着电流增大晶粒直径减小，但（111）晶面的晶粒直径比（200）晶面的略大。互连中通常需要较大尺寸的晶粒，因为大尺寸晶粒的晶粒边界较少，偏折电子的几率较小，相应的电阻系数也较小。根据图3的结果，电镀时电流密度不应选得太高。
3.3 AFM测试结果
一般来说，无添加剂的铜镀层表面粗糙度在几十甚至100nm以上，由于添加剂的作用，使得粗糙度大大减小，测量结果仅为几个纳米。平整的表面可以为后续CMP工艺提供了一个易于进行处理的基底表面。通过AFM观测随着电流密度的增大，铜镀层表面晶粒直径逐渐变小。由于大晶粒具有较大的粗糙度，低电流情况下表面粗糙度最大。
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