直流和脉冲电镀Cu互连线的性能比较

0 引言
    随着芯片集成度的不断提高，Cu已经取代A1成为超大规模集成电路互连中的主流互连材料。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Cu镀层。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。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；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。
    脉冲电镀理论20世纪初就已被提出。近几年来，国外陆续发表了一些关于脉冲电镀在集成电路Cu互连应用中的研究。目前国内，针对脉冲电镀Cu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Cu互连的文献报道。而在集成电路(IC)制造采用的是成熟的直流电镀工艺。PCB中线路的特征尺寸约为几十微米，而芯片中Cu互连的特征尺寸是1μm，因此对亚微米级厚度Cu镀层的性能研究显得尤为必要。本文将针对集成电路芯片Cu互连技术，研究分别用脉冲电镀和直流电镀沉积得到的Cu镀层性能。

1 实验
    采用200 mm p型(100)Si片，首先在Si片上PECVD(concept one 200 mm dielectric system，Novellus)淀积800 nm SiO2介质层。接着用PVD(Invoa 200，Novellus)溅射25 nm的TaN／Ta扩散阻挡层，然后用PVD溅射50 nm的Cu籽晶层。在电解槽中，阳极为高纯度的Cu棒，外面包裹一层过滤膜，其作用是电镀时阻止固态不溶性杂质颗粒进入Cu镀层，影响镀层性能。将经PVD溅射好Cu籽晶层的200 mm Si片切片后的小矩形片作为阴极(5 cm×2 cm)。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400r／min，这可以使电镀过程中阴极附近电解液中的Cu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Cu2+17．5 g／L，H2S04 175 g／L，Cl一50 mg／L，加速剂2 mL／L，抑制剂8 mL／L和平整剂1．5 mL／L(添加剂均来自美国Enthone公司)。Cl一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S或其他官能团的有机物，包括硫脲及其衍生物，它的作用是促进Cu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一一起在阴极表面上形成一层连续膜以阻止Cu的沉积。平整剂通常是杂环化合物，一般含有N原子，它的作用是降低镀层表面粗糙度。
    对于脉冲电镀，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，toff=2ms，研究不同平均电流密度的影响。实验中通过设置不同的电流密度以及相对应的电镀时间，将Cu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Cu镀层薄膜参数包括电阻率、XRD、SEM和AFM。

2 结果和讨论
2．1 电阻率测量结果
    图1是电沉积Cu层电阻率与电流密度之间的关系。可见，脉冲电镀得到的Cu镀层电阻率小于相同电流密度下的直流镀层。在小电流密度时(<2 A／dm2)，直流镀层和脉冲镀层的电阻率都较大。

2．2 XRD测量结果
    在XRD测量中，以晶面(hkl)的织构系数TC(texture coefficient)来表征晶面择优程度。

   
式中：I(hkl)、I0(hkl)分别表示沉积层试样和标准试样(hkl)晶面的衍射线强度；n为衍射峰个数。当各衍射面的TC值相同时，晶面取向是无序的，如果某个(hkl)面的TC值大于平均值，则该晶面为择优取向。晶面的TC值越大，其择优程度越高。
    图2中(a)和(b)分别为直流镀层和脉冲镀层织构系数与电流密度的关系。(111)晶面抗电迁移的能力是(200)晶面的4倍，因此(111)晶面更有利于互连。两张图的变化趋势类似，主要晶面都是(111)和(200)，但直流镀层中(111)的择优程度较脉冲镀层稍好。通过对Cu种籽层进行XRD后发现，籽晶Cu中(200)晶面呈现绝对择优。因此，XRD的结果表明，直流电镀的晶面抗电迁移的能力要优于脉冲电镀。由于1 μm的Cu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。有文献报道，当Cu镀层超过4 μm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。

2．3 AFM测量结果
    图3为脉冲电镀与直流电镀电沉积Cu镀层表面粗糙度RMS(root mean square)与电流密度的关系。可见脉冲所得镀层表面粗糙度仅为几个纳米，而直流所得镀层表面粗糙度在10 nm以上，最大时甚至达到了40 nm，这样大的粗糙度将为后续CMP工艺造成极大的困难。而平整的表面可以为CMP工艺提供一个易于进行处理的基底表面，采用脉冲电镀Cu镀层的表面粗糙度RMS比直流电镀的低。

2．4 SEM测量结果
    图4为脉冲电镀与直流电镀电沉积Cu镀层的SEM照片。由于有机添加剂将极大地影响Cu晶粒的生长过程，为了单独考察电沉积条件对晶粒生长的影响，SEM测量的是在没有三种添加剂情况下得到的镀层。可见在相同的电流密度下，脉冲所得镀层的表面晶粒密度远大于直流。之所以会出现这样的差别，原因在于脉冲关断时间虽然对电镀效率没有贡献，但它并不是一个“死时间”。在关断周期内可能发生一些对电结晶过程很有影响的现象，如重结晶、吸脱附等。在关断时间内，晶粒会长大，这是由于晶粒在关断时间内发生了重结晶现象。从热力学规律可知，晶粒越大越稳定。集成电路芯片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，抗电迁移能力也更强。

3 结语
    本文研究了脉冲电镀和直流电镀所得Cu镀层电阻率、织构系数、晶粒大小和表面粗糙度等特性参数。实验结果表明，在相同电流密度条件下，脉冲电镀所得Cu镀层电阻率较低、表面粗糙度较小、表面晶粒尺寸和晶粒密度较大，而直流电镀所得镀层(111)晶面的择优程度优于脉冲。
    脉冲电镀对电沉积过程有着更强的控制能力，能降低浓差极化，改善镀层物理性能，获得致密的低电阻率金属电沉积层，所得镀层在很多性能方面优于直流电镀。在超大规模集成电路Cu互连技术中，脉冲电镀将有良好的研究应用前景。