添加剂对铜互连线脉冲电镀的影响

    慧聪表面处理网讯：摘要：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，铜的填充主要采用Ｄａｍａｓｃｅｎｅ工艺进行电镀。有机添加剂一般包括加速剂、抑制剂和平坦剂，它们在电镀液中含量虽然很少，但对于铜电镀的过程非常关键。以Ｅｎｔｈｏｎｅ公司的ＶｉａＦｏｒｍ系列添加剂为例，研究了每种类型添加剂对脉冲铜镀层性能的影响。

    关键词：铜互连；添加剂；脉冲电镀；粗糙度

    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制造中的主流互连材料。传统的半导体工艺主要是采用铝作为金属互连材料，但在很小的特征尺寸情况下信号延时受到越来越大的限制。作为铝的替代物，铜互连可以降低互连阻抗，降低功耗和成本，提高芯片的集成度，器件密度和时钟频率［１，２］。

    由于对铜的刻蚀非常困难，因此铜互连采用镶嵌工艺（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）。在刻好的沟槽内先溅射扩散阻挡层和铜种籽层，然后通过电镀在沟槽内填充铜，最后采用ＣＭＰ（化学机械抛光）工艺实现平坦化。

    电镀是完成铜填充的主要工艺。铜电镀液通常由硫酸铜、硫酸和水组成，呈淡蓝色。在电镀溶液中，当电源加在硅片（阴极）和铜（阳极）之间时，溶液中产生电流并形成电场。然后，阳极的铜发生反应转化成铜离子和电子，同时阴极发生反应，铜离子与电子结合形成镀在硅片表面的铜。电镀的主要目的是在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。电镀后的表面应尽可能平坦，以减少后续ＣＭＰ工艺中可能出现的凹坑和腐蚀问题。

    为实现上述效果需要使用三种有机添加剂：加速剂（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）、抑制剂（Ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ）和平坦剂（Ｌｅｖｅｒｌｅｒ）。当晶片被浸入电镀槽时，首先进行的是均匀性填充，填充反应动力学受抑制剂控制。接着，当加速剂达到临界浓度时，电镀开始从均匀性填充转变成由底部向上的填充。加速剂吸附在铜表面，降低电镀反应的电化学反应势，促进快速沉积反应。在填充过程完成后，表面吸附的平坦剂会抑制铜的继续沉积，以减小表面的粗糙度。

    由于铜电镀要求在厚度均匀的整个硅片镀层以及电流密度不均匀的微小局部区域（超填充区）能够同时传输差异很大的电流密度，因此填充效果很大程度上取决于电镀液的化学成份，添加剂是其中非常关键的因素，填充性能与添加剂的成份和浓度关系很大。添加剂往往是在一起共同起作用，为实现无空洞和无缺陷电镀，除了要改进各个添加剂的单项性能，还必须在三者之间互相平衡，最终才能达到良好的综合性能［３，４，５］。

    目前生产添加剂的厂家有Ｅｎｔｈｏｎｅ、Ｒｏｈｍ＆ｈａａｓ等公司。其中Ｅｎｔｈｏｎｅ公司拥有较大的市场份额，Ｅｎ－ｔｈｏｎｅ公司的ＶｉａＦｏｒｍ系列添加剂目前应用较广泛。本文将以ＶｉａＦｏｒｍ添加剂为例，研究添加剂对铜镀层性能的影响。

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