【文章內(nèi)容簡介】 Leveler)。加速劑主要的作用是加速電鍍時銅能很快的從洞的底部生長上來，從而防止上部已經(jīng)封口但內(nèi)部的銅并沒有生長好所產(chǎn)生的空洞缺陷。其主要成分是含有硫或及其官能團的有機物，例如聚二硫二丙烷磺酸鈉（SPS），或3巰基丙烷磺酸（MPSA）。加速劑分子量較小，一般吸附在銅表面和溝槽底部，降低電鍍反應(yīng)的電化學(xué)電位和陰極極化，從而使該部位沉積速率加快，實現(xiàn)溝槽的超填充。抑制劑的作用相反它作用在空洞的邊緣抑制銅的生長，從而防止底部的銅還沒有生長好，空洞已經(jīng)封口。其主要成分包括聚乙二醇（PEG）、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物，一般是長鏈聚合物。抑制劑的平均相對分子質(zhì)量一般大于1000，有效性與相對分子質(zhì)量有關(guān)，擴散系數(shù)低，溶解度較小，抑制劑的含量通常遠大于加速劑和平坦劑。抑制劑一般大量吸附在溝槽的開口處，抑制這部分的銅沉積，防止出現(xiàn)空洞。在和氯離子的共同作用下，抑制劑通過擴散淀積在陰極表面上形成一層連續(xù)抑制電流的單層膜，通過阻礙銅離子擴散來抑制銅的繼續(xù)沉積。 平整劑中一般含有氮原子，通常是含氮的高分子聚合物，粘度較大，因此會依賴質(zhì)量運輸，這樣在深而窄的孔內(nèi)與加速劑、抑制劑的吸附競爭中沒有優(yōu)勢，但在平坦和突出的表面，質(zhì)量傳輸更有效。溝槽填充完成后，加速劑并不停止工作，繼續(xù)促進銅的沉積，但吸附了平坦劑的地方電流會受到明顯抑制，可以抑制銅過度的沉積。平坦劑通過在較密的細線條上方抑制銅的過度沉積從而獲得較好的平坦化效果，保證了較小尺寸的圖形不會被提前填滿，有效地降低了鍍層表面起伏。 在電鍍過程中還有其它添加劑，如氯離子的存在，可以增強銅表面抑制劑的吸附作用，這樣抑制劑在界面處的濃度就不依賴于它們的質(zhì)量傳輸速率和向表面擴散的速率；氫離子可以控制整個電鍍槽的導(dǎo)電率。在銅電鍍過程中，對填充過程產(chǎn)生影響的主要是加速劑、抑制劑和氯離子，填充過程完成后對鍍層表面粗糙度產(chǎn)生影響的主要是平整劑。 銅電鍍是有機添加劑共同作用的結(jié)果，它們之間彼此競爭又相互關(guān)聯(lián)。 為實現(xiàn)無空洞和無缺陷電鍍，除了改進添加劑的單個性能外，還需要確定幾種添加劑同時存在時各添加劑濃度的恰當(dāng)值，使三者之間互相平衡，才能達到良好的綜合性能，得到低電阻率、結(jié)構(gòu)致密和表面粗糙度小的銅鍍層。 晶片進入電鍍液前，各種添加劑還沒有吸附在銅種子層上，當(dāng)晶片進入到電鍍液時，各種添加液會根據(jù)電鍍需求和各自特性分布在不同區(qū)域，如加速劑是小分子量分子在洞的底部會分布較多，這樣可以使銅更快的從底部生出來。Cl結(jié)合抑制劑主要分布在洞口區(qū)域，這樣可以防止洞口過早封口，當(dāng)填洞結(jié)束后，由于在洞口區(qū)域還有加速劑的存在，如果沒有平整劑的存在，洞口區(qū)域最后會形成一個突起，如果有平整劑存在，會抑制洞口區(qū)域的加速效果，從而得到平整的電鍍金屬層。 電鍍過程中不同化學(xué)添加劑的作用 銅金屬的自退火效應(yīng)電鍍后生成的銅原子的晶粒比較小，能量比較高，隨著時間的增長晶粒之間互相吞并，進行能量轉(zhuǎn)移，最終長大成為較大晶粒。這個過程我們稱之為銅金屬得自退火。從圖中我們可以看到銅金屬自退火過程銅原子晶粒的生長。銅金屬自退火過程一般會持續(xù)200個小時，當(dāng)然其它電鍍時條件的改變會改變自退火的時間，如電鍍銅中有機添加液濃度的增加會延長自退火的時間。 電鍍過程中不同化學(xué)添加劑的作用在實際生產(chǎn)中，我們希望得到大晶粒，低阻值，銅原子大小均勻的銅金屬。所以要加速銅原子的自退火速度，于是電鍍后退火工藝被引入到電鍍工藝當(dāng)中。一般采用200度的溫度，90秒的退火時間可以得跟自退火200小時相同阻值的銅金屬。作者在工作過程中，就遇到了由銅金屬層孔洞缺陷造成產(chǎn)品上電遷移失效的實例。圖1 電遷移測試失效實例 對這片失效晶片進行失效分析出，看到在第一層銅金屬層上有孔洞缺陷的存在。當(dāng)電流流動到有孔洞的地方，電阻突然增大，會造成更大的孔洞缺陷，嚴重時會導(dǎo)致電流中斷，從而導(dǎo)致電遷移測試失敗。ee檢查這片晶片在工廠生產(chǎn)過程中的歷史紀錄，發(fā)現(xiàn)在第一層金屬層化學(xué)機械研磨后的缺陷檢查站點確實檢測出有孔洞缺陷的存在。 在產(chǎn)品上的孔洞缺陷在直流電流的作用下，金屬離子沿導(dǎo)體的質(zhì)量輸運稱為電遷移。一根普通的導(dǎo)線在通常的狀態(tài)下并不產(chǎn)生質(zhì)量的輸運。金屬導(dǎo)電的自由電子模型假設(shè)傳導(dǎo)電子可在金屬中自由運動，除散射作用外，并不受晶格粒子的限制。離子對電子的散射是產(chǎn)生電阻的原因。當(dāng)電流密度很低時這種散射并不導(dǎo)致離子產(chǎn)生大的位移，而由聲子振動產(chǎn)生的散射僅僅產(chǎn)生焦耳熱。 在電流密度較高的情況下（104A/cm2以上），電流的輸運將引起離子的位移，并產(chǎn)生質(zhì)量的輸運。在微電子器件中，當(dāng)電流密度很高時，在互連引線內(nèi)將發(fā)生電遷移。在集成電路中這是一種特殊而嚴重的失效機制。隨著器件特征尺寸的不斷減小，互連引線的橫截面越來越小，引起電流密度的迅速增加。因此，在銅互連的集成電路中，由電遷移導(dǎo)致的電路失效的可能性也大大增加。早在1861年Gerardin在PbSn，KNa, AuHg，BiHg 等液態(tài)合金中就發(fā)現(xiàn)了電遷移現(xiàn)象。SkauPy在1914年 指出了在電遷移過程中原子和運動載流子相互作用的 重要性。后來Fiks等一些學(xué)者相繼給出了電遷移力的 基本數(shù)學(xué)表達式。 過去在塊狀金屬中，由于焦耳熱的限制，所允許的最大電流密度較低，一般小于10 4A/cm 2，所以，研究電遷移現(xiàn)象只有在高溫(近熔點)下進行。薄膜金屬就不同，尤其是對于超大規(guī)模集成電路中的互連金屬，由于只有很小的截面積，可以經(jīng)受高達10 7A/cm 2的電流 密度。這樣在較低的溫度( m＜T＜ m，這里Tm 為金屬熔點)和高電流密度(10 4－l0 7A/cm 2)下就會發(fā)生 電遷移現(xiàn)象。 1966年，Blech和Sello發(fā)現(xiàn)了鋁互連線的電遷移是硅平 面器件的主要失效原因。此后，關(guān)于金屬薄膜的電遷 移研究十分活躍。1967年以來，歷屆可靠性物理年會 上都有電遷移研究方面的成果發(fā)表。近年來隨著ULSI 的發(fā)展，器件所承受功率密度、金屬薄膜所傳遞的 電流密度逐年增大，電遷移這個失效機理就更為人們所關(guān)注。 銅孔洞缺陷于電遷移的關(guān)系 半導(dǎo)體器件中所用的金屬互連多采用蒸發(fā)、濺射或者電鍍的方法制備，為多晶薄膜，其晶粒尺寸取決于薄膜生長時襯底材料的溫度及生長后的退火溫度和間。 通常，生長過程中襯底溫度越高、退火時間越長，金屬導(dǎo)線的晶粒越大。由于在金屬薄膜沉積過程存在雜質(zhì)污染，與塊狀金屬相比，薄膜生長過程中局部的應(yīng)力使薄膜中的缺陷密度顯著增加。正是這些缺陷的存在，極大地影響了金屬離子的微觀擴散機制，因而也影響了金屬薄膜的電遷移。所以對金屬薄膜中缺陷的了解，對理解離子微觀擴散機制以及電遷移物理機制非常重要。 所謂缺陷，是指實際晶體結(jié)構(gòu)中與理想點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。按照缺陷在空間的分布情況可將其分為3類： (1)點缺陷：空位、間隙原子和雜質(zhì)原子就是這種缺陷。對于金屬薄膜，以空位為主。這是由于制備過程中，金屬原子的溫度高于襯底溫度，大量的熱空位被凍結(jié)在薄膜中，所以薄膜中空位密度遠遠高于塊狀金屬中的空位密度。 (2)線缺陷：位錯就是這種缺陷。金屬薄膜在形成過程中，由于晶格的扭曲、薄膜與襯底間的溫度梯度、與襯底材料晶格常數(shù)失配、熱膨脹系數(shù)的差異等，都會在金屬薄膜中產(chǎn)生位錯，使金屬薄膜中的位錯密度比塊狀金屬大得多。(3)面缺陷。晶粒間界就是典型的面缺陷。金屬薄膜的晶粒尺寸小，所以晶粒間界面積大，而晶粒間界附近位錯密度高，結(jié)構(gòu)疏散，各種外來雜質(zhì)易于沉淀在晶 粒間界處。這些缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展、運動與相互作用，以至于合并或消失，將對金屬薄膜的電遷移過程有很大影響。為此我們以空位及晶界為例講述缺陷擴散的微觀機制。多晶體內(nèi)不同取向的晶粒界面稱為晶粒間界，簡稱晶界。晶界對金屬薄膜的電遷移和薄膜間的相互擴散、金屬化合物的形成等都有影響很大。因而，半導(dǎo)體器件中所用的金屬薄膜的晶界性質(zhì)對其可靠性影響很大。最簡單的晶界是傾側(cè)晶界。它是沿著平行于界面的軸線轉(zhuǎn)一q角而造成的晶粒間位向差。這里又分小角度晶 界 (q =15186。)和大角度晶界(q = 530186。)。晶界處位錯密度大、空位濃度高、結(jié)構(gòu)疏散。晶界一般很薄，不超過23個原子層。當(dāng)外來雜質(zhì)原于半徑與溶劑的原子半徑相差較大時，若其在晶粒內(nèi)部則會產(chǎn)生較大的畸變能，而沉淀于晶界處，則畸變能較低。所以晶界往往吸附了許多外來雜質(zhì)，利用金屬多晶膜這種內(nèi)吸附特性，可以在Al膜中加入Cu，于是可大大地提高Al的抗電遷移的能力，即所謂薄膜的合金效應(yīng)．對于多晶材料，固態(tài)擴散有三種路徑：晶格擴散(或體擴散)、晶界擴散和表面擴散，如圖所示。 3種擴散的擴散系數(shù)分別用D L、D GB和D S表示。晶格擴散是依靠空位移動而完成的；而對于晶界擴教和表面擴散，研究較少，一般認為D S ＞D GB＞ D L，擴散激活能Q S＜ Q GB＜Q L。實驗發(fā)現(xiàn)，3種擴散均是各向異性，雜質(zhì)的存在對擴散速率有影響?？梢约铀贁U散，也可以減緩擴散。一般來講，雜質(zhì)與金屬原子發(fā)生反應(yīng)便可以減緩擴散，若雜質(zhì)的加入可以引入新的缺陷，便可以加速擴散。 銅孔洞缺陷產(chǎn)生的幾種機理目前業(yè)界對銅金屬層后孔洞缺陷產(chǎn)生的機理主要有以下幾種：(1) 電鍍前銅金屬種子層的厚度的影響，一般銅金屬種子層的厚度越薄，電鍍后孔洞缺陷的數(shù)量會越少。其機理主要是在45nm節(jié)點前銅金屬種子層一般采用PVD物理氣相沉積的方法來制取，與CVD化學(xué)氣相沉積相比，物理氣相沉積的階梯覆蓋率會差許多，如果沉積厚的種子層的銅溝槽頂部的開口會變小，導(dǎo)致電鍍時溝槽內(nèi)還沒有填滿銅，頂部開口就已經(jīng)封上，造成孔洞缺陷。另外，如果電鍍前銅金屬種子層被一些有機物污染到也會造成孔洞缺陷。(2) 電鍍銅工藝的影響。目前對電鍍銅工藝于孔洞缺陷的關(guān)系的研究主要集中在三個方面：n 即電鍍時電流大小的變化對孔洞缺陷的影響。在目前的集成電路制造中，芯片的布線和互連幾乎全部是采用直流電鍍的方法獲得銅鍍層。在電鍍過程中，如果電流過大或者過小都會影響填洞能力，造成空洞缺陷。在電鍍工藝章節(jié)里已經(jīng)介紹根據(jù)制程需求選取合適的電流大小。n 化學(xué)添加劑的變化。銅電鍍是有機添加劑共同作用的結(jié)果，它們之間彼此競爭又相互關(guān)聯(lián)。為實現(xiàn)無空洞和無缺陷電鍍，除了改進添加劑的單個性能外，還需要確定幾種添加劑同時存在時各添加劑濃度的恰當(dāng)值，使三者之間互相平衡，才能達到良好的綜合性能，得到低電阻率、結(jié)構(gòu)致密和表面粗糙度小的銅鍍層。 盡管使用有機添加劑可實現(xiàn)深亞微米尺寸的銅電鍍，但往往會有微量的添加劑被包埋在銅鍍層中。對于鍍層來說，這些雜質(zhì)可能會提高電阻系數(shù)，并且使銅在退火時不太容易形成大金屬顆粒導(dǎo)致孔洞缺陷。n 退火工藝對孔洞缺陷的影響。退火工藝條件的改變會影響銅原子晶格的大小，以及自退火的進程。如果退火溫度過高，銅原子晶格過大，就容易產(chǎn)生空洞缺陷。(3) 化學(xué)機械研磨工藝的影響。目前業(yè)界研究主要集中在化學(xué)研磨液成分的變化對孔洞缺陷的影響。 實驗?zāi)康耐ㄟ^對銅金屬層孔洞缺陷產(chǎn)生機理的分析研究，我們了解到影響空洞缺陷