三种有机添加剂对铜互连线脉冲电镀的影响（一）

赵晓军

　　1引言
& G8 Q5 a5 j' G　　目前,铜互连技术已成为超大规模集成电路的主流互连技术,随着芯片集成度的不断提高,互连孔的直径越来越小,深宽比越来越大,如何得到无孔隙、紧致均匀的镀层是一个备受关注的问题。此外,考虑到与CMP工艺相结合,铜镀层的表面粗糙度尽可能小[1 5]。目前铜电沉积的研究重点是添加剂的作用,非传统的电镀方式脉冲电镀的研究也成为一大热点[1 13]。但是对这两方面联合影响的研究却鲜有报道。本文将针对集成电路芯片铜互连技术,研究在脉冲电镀中不同添加剂的组成和浓度对铜镀层性能的影响及其机理。
. n4 ^6 @* A! G" X4 B3 e( N" l　　铜互连中常采用的三种有机添加剂:加速剂(accelerator)、抑制剂(suppressor)和平整剂(leveler)。在沟槽填充中,加速剂在表面与抑制剂耦合,主要聚集在沟槽底部,降低吸脱附热力学常数,减少反应电极的表面积,促进沟槽自下而上的铜沉积,从而实现无孔洞填充。抑制剂吸附在晶粒生长的活性点上,增加电化学反应电阻,增强电化学极化,从而达到细化晶粒的效果。平整剂主要是有黏性的大分子,较易吸附在平坦和突起的表面,通过抑制这些部位的晶粒生长达到平整化的目的;平整剂还能阻止抑制剂在沟槽底部的吸附。此三种添加剂在电镀铜中具有不同的角色,又相互影响[5,7,12]。
　　脉冲电镀的电化学反应原理是利用脉冲张驰来增加阴极活化极化,降低阴极浓差极化,改善电镀液的微观分散能力,得到紧致均匀的镀层。脉冲电镀具有高的瞬时电流密度,有利于成核和细化晶粒。另外,脉冲电镀有电流/电压、脉宽、脉间三个主要可变参数,还可以改变脉冲信号波形[8,12]。这使得脉冲电镀相比直流电镀,对电镀过程有更强的控制能力。
　　2实验
　　本实验使用CHI400电化学工作站的LCV和CP对不同添加剂成分的电镀液进行性能测试。工作电极为铂(直径0 2cm),对电极为铂丝,参比电极为饱和甘汞电极。
　　电镀采用20 32cm,p型(100)硅片。首先在硅片上PECVD淀积800nmSiO2介质层;接着用PVD溅射25nm的TaN/Ta扩散阻挡层,再用PVD溅射50nm的Cu籽晶层;最后是电镀铜。脉冲电镀铜的条件是:阴极平均电流是4A/dm2,占空比为50%,频率50Hz。
+ q( f6 f1 [; P. q( P/ W. T" \　　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。阴极是经过上述处理硅的小切片(5cm×2cm)。电解槽磁力搅拌,转速为400r/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。
+ U) s# W/ A2 Z  e6 y5 S) C9 ]% J　　VMS(virginmakeupsolution)电镀液成分为Cu2+17 5g/L,H2SO4175g/L,Cl-50mg/L。Cl-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。
! `; U1 Y- u" B& R) O; Q　　使用Enthone公司的ViaForm系列添加剂。各添加剂的标准浓度为,加速剂:2mL/L;抑制剂:8mL/L;平整剂:1 5mL/L。
  p3 R+ f4 J: c+ L/ J　　除了特殊说明,文章中出现的各添加剂的浓度均是其标准浓度。文章图形中出现的A,S,L分别代表加速剂,抑制剂、平整剂。
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