【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Leveler)。加速劑主要的作用是加速電鍍時(shí)銅能很快的從洞的底部生長(zhǎng)上來，從而防止上部已經(jīng)封口但內(nèi)部的銅并沒有生長(zhǎng)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(tuán)的有機(jī)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(shí)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(zhǎng)，從而防止底部的銅還沒有生長(zhǎng)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(zhǎng)鏈聚合物。抑制劑的平均相對(duì)分子質(zhì)量一般大于1000，有效性與相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)，擴(kuò)散系數(shù)低，溶解度較小，抑制劑的含量通常遠(yuǎn)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(kuò)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(kuò)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(huì)依賴質(zhì)量運(yùn)輸，這樣在深而窄的孔內(nèi)與加速劑、抑制劑的吸附競(jìng)爭(zhēng)中沒有優(yōu)勢(shì)，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(jìn)銅的沉積，但吸附了平坦劑的地方電流會(huì)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(xì)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(huì)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(qiáng)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(kuò)散的速率；氫離子可以控制整個(gè)電鍍槽的導(dǎo)電率。在銅電鍍過程中，對(duì)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(duì)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(jī)添加劑共同作用的結(jié)果，它們之間彼此競(jìng)爭(zhēng)又相互關(guān)聯(lián)。 為實(shí)現(xiàn)無空洞和無缺陷電鍍，除了改進(jìn)添加劑的單個(gè)性能外，還需要確定幾種添加劑同時(shí)存在時(shí)各添加劑濃度的恰當(dāng)值，使三者之間互相平衡，才能達(dá)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(jìn)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(jìn)入到電鍍液時(shí)，各種添加液會(huì)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(huì)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(huì)形成一個(gè)突起，如果有平整劑存在，會(huì)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(shí)間的增長(zhǎng)晶粒之間互相吞并，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，最終長(zhǎng)大成為較大晶粒。這個(gè)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(zhǎng)。銅金屬自退火過程一般會(huì)持續(xù)200個(gè)小時(shí)，當(dāng)然其它電鍍時(shí)條件的改變會(huì)改變自退火的時(shí)間，如電鍍銅中有機(jī)添加液濃度的增加會(huì)延長(zhǎng)自退火的時(shí)間。 電鍍過程中不同化學(xué)添加劑的作用在實(shí)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(shí)間可以得跟自退火200小時(shí)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(shí)例。圖1 電遷移測(cè)試失效實(shí)例 對(duì)這片失效晶片進(jìn)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(dòng)到有孔洞的地方，電阻突然增大，會(huì)造成更大的孔洞缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流中斷，從而導(dǎo)致電遷移測(cè)試失敗。ee檢查這片晶片在工廠生產(chǎn)過程中的歷史紀(jì)錄，發(fā)現(xiàn)在第一層金屬層化學(xué)機(jī)械研磨后的缺陷檢查站點(diǎn)確實(shí)檢測(cè)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(yùn)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(yùn)。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(yùn)動(dòng)，除散射作用外，并不受晶格粒子的限制。離子對(duì)電子的散射是產(chǎn)生電阻的原因。當(dāng)電流密度很低時(shí)這種散射并不導(dǎo)致離子產(chǎn)生大的位移，而由聲子振動(dòng)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(yùn)將引起離子的位移，并產(chǎn)生質(zhì)量的輸運(yùn)。在微電子器件中，當(dāng)電流密度很高時(shí)，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(yán)重的失效機(jī)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(yùn)動(dòng)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(dá)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(diǎn))下進(jìn)行。薄膜金屬就不同，尤其是對(duì)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(dá)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(diǎn))和高電流密度(10 4－l0 7A/cm 2)下就會(huì)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(huì) 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(gè)失效機(jī)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(zhǎng)時(shí)襯底材料的溫度及生長(zhǎng)后的退火溫度和間。 通常，生長(zhǎng)過程中襯底溫度越高、退火時(shí)間越長(zhǎng)，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(zhǎng)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(kuò)散機(jī)制，因而也影響了金屬薄膜的電遷移。所以對(duì)金屬薄膜中缺陷的了解，對(duì)理解離子微觀擴(kuò)散機(jī)制以及電遷移物理機(jī)制非常重要。 所謂缺陷，是指實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中與理想點(diǎn)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(diǎn)缺陷：空位、間隙原子和雜質(zhì)原子就是這種缺陷。對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于塊狀金屬中的空位密度。 (2)線缺陷：位錯(cuò)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(huì)在金屬薄膜中產(chǎn)生位錯(cuò)，使金屬薄膜中的位錯(cuò)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(cuò)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(yùn)動(dòng)與相互作用，以至于合并或消失，將對(duì)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(kuò)散的微觀機(jī)制。多晶體內(nèi)不同取向的晶粒界面稱為晶粒間界，簡(jiǎn)稱晶界。晶界對(duì)金屬薄膜的電遷移和薄膜間的相互擴(kuò)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(duì)其可靠性影響很大。最簡(jiǎn)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(cuò)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(gè)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(shí)，若其在晶粒內(nèi)部則會(huì)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(duì)于多晶材料，固態(tài)擴(kuò)散有三種路徑：晶格擴(kuò)散(或體擴(kuò)散)、晶界擴(kuò)散和表面擴(kuò)散，如圖所示。 3種擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)分別用D L、D GB和D S表示。晶格擴(kuò)散是依靠空位移動(dòng)而完成的；而對(duì)于晶界擴(kuò)教和表面擴(kuò)散，研究較少，一般認(rèn)為D S ＞D GB＞ D L，擴(kuò)散激活能Q S＜ Q GB＜Q L。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3種擴(kuò)散均是各向異性，雜質(zhì)的存在對(duì)擴(kuò)散速率有影響?？梢约铀贁U(kuò)散，也可以減緩擴(kuò)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(kuò)散，若雜質(zhì)的加入可以引入新的缺陷，便可以加速擴(kuò)散。 銅孔洞缺陷產(chǎn)生的幾種機(jī)理目前業(yè)界對(duì)銅金屬層后孔洞缺陷產(chǎn)生的機(jī)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(huì)越少。其機(jī)理主要是在45nm節(jié)點(diǎn)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(huì)差許多，如果沉積厚的種子層的銅溝槽頂部的開口會(huì)變小，導(dǎo)致電鍍時(shí)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(jī)物污染到也會(huì)造成孔洞缺陷。(2) 電鍍銅工藝的影響。目前對(duì)電鍍銅工藝于孔洞缺陷的關(guān)系的研究主要集中在三個(gè)方面：n 即電鍍時(shí)電流大小的變化對(duì)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(huì)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(jī)添加劑共同作用的結(jié)果，它們之間彼此競(jìng)爭(zhēng)又相互關(guān)聯(lián)。為實(shí)現(xiàn)無空洞和無缺陷電鍍，除了改進(jìn)添加劑的單個(gè)性能外，還需要確定幾種添加劑同時(shí)存在時(shí)各添加劑濃度的恰當(dāng)值，使三者之間互相平衡，才能達(dá)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(jī)添加劑可實(shí)現(xiàn)深亞微米尺寸的銅電鍍，但往往會(huì)有微量的添加劑被包埋在銅鍍層中。對(duì)于鍍層來說，這些雜質(zhì)可能會(huì)提高電阻系數(shù)，并且使銅在退火時(shí)不太容易形成大金屬顆粒導(dǎo)致孔洞缺陷。n 退火工藝對(duì)孔洞缺陷的影響。退火工藝條件的改變會(huì)影響銅原子晶格的大小，以及自退火的進(jìn)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(jī)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(duì)孔洞缺陷的影響。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^對(duì)銅金屬層孔洞缺陷產(chǎn)生機(jī)理的分析研究，我們了解到影響空洞缺陷