电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响 - 图文(4)

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

艺。目前在130nm、110nm的制造工艺中已经广泛应用了铜互连技术。铜互连材料已经成为110nm以下制造工艺的唯一选择。在最新的90nm制造工艺中，厂商广泛采用了七层或八层铜互连技术。根据最新报道，65nm制造工艺中的铜互连工艺和低K介电材料也已经被攻克，目前正向着45nm技术节点进发。

使用原子层沉积（ALD，AtomicLayerDeposition）技术沉积阻挡层和铜的无种籽层电镀是目前铜互连技术的研究热点。在当前的铜互连工艺中，扩散阻挡层和铜种籽层都是通过PVD工艺制作。但是当芯片的特征尺寸变为45nm或者更小时，扩散阻挡层和铜种籽层的等比例缩小将面临严重困难。首先，种子层必须足够薄，这样才可以避免在高纵宽比结构上沉积铜时出现顶部外悬结构，防止产生空洞；但是它又不能太薄。其次，扩散层如果减薄到一定厚度，将失去对铜扩散的有效阻挡能力。还有，相对于铜导线，阻挡层横截面积占整个导线横截面积的比例变得越来越大。但实际上只有铜才是真正的导体。例如，在65nm工艺时，铜导线的宽度和高度分别为90nm和150nm，两侧则分别为10nm。这意味着横截面为13，500nm2的导线中实际上只有8，400nm2用于导电，效率仅为62。2%。目前最有可能解决以上问题的方法是ALD和无种籽电镀。使用ALD技术能够在高深宽比结构薄膜沉积时具有100%台阶覆盖率，对沉积薄膜成份和厚度具有出色的控制能力，能获得纯度很高质量很好的薄膜。而且，有研究表明：与PVD阻挡层相比，ALD阻挡层可以降低导线电阻。因此ALD技术很有望会取代PVD技术用于沉积阻挡层。不过ALD目前的缺点是硬件成本高，沉积速度慢，生产效率低。

此外，过渡金属－钌可以实现铜的无种籽电镀，在钌上电镀铜和普通的铜电镀工艺兼容。钌的电阻率（~7μΩ－cm），熔点（~2300℃），即使900℃下也不与铜发生互熔。钌是贵金属，不容易被氧化，但即使被氧化了，生成的氧化钌也是导体。由于钌对铜有一定的阻挡作用，在一定程度上起到阻挡层的作用，因此钌不仅有可能取代扩散阻挡层常用的Ta/TaN两步工艺，而且还可能同时取代电镀种籽层，至少也可以达到减薄阻挡层厚度的目的。况且，使用ALD技术沉积的钌薄膜具有更高的质量和更低的电阻率。但无种籽层电镀同时也为铜电镀工艺带来新的挑战，钌和铜在结构上的差异，使得钌上电镀铜与铜电镀并不等同，在界面生长，沉积模式上还有许多待研究的问题。

铜互连工艺目前研发非常顺利。而且有专家认为，铜互连工艺开发的潜力还很大，至少在15nm技术节点之前还不需要下一代互连技术——光互连技术。 1.2 从铝互连到铜互连

后端互连延时对器件速度的影响可由以下RC公式直观地看出，在设计尺寸一定的前提下，降低ρ和εr是提高速度的关键。

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?4L2L2?SPEED?1/RC while RC=2ρεrε0?2+2?T??P式中 r = 金属电阻 εr = 相对介电常数 ε0 = 自由空间介电常数 L = 导线长度 P = 互联线间距 T = 金属厚度

参考自: M. Bohr, Solid State Technology, 1996, p.105

在结构相同的情况下，可通过使用较低阻值的金属的方法达到更高的集成电路响应速度：

出于工艺整合的需要，业界对充当互连的金属的性能和工艺有以下一些具体的要求

? 低电阻率和低热膨胀系数 ? 不易氧化(化学活性低)

? 机械性能稳定(低应力，与介质的黏附性好) ? 高熔点

? 高的抗电迁移性能 ? 与周围的材料没有电活性

? 微观结构易于控制(均匀的大晶粒合光滑的表面) ? 易于在平整合高形态比的穿孔中淀积、高的淀积速率 ? 低污染

? 价格低廉

表1.2-1列出了一些常用导电材料的电阻率。集成电路中最常用的互连材料是铝，因为它的成本较低并且与标准的集成电路制造工艺相兼容。可惜的是与如铜这样的材料相比，铝的电阻率较大，电迁移特性相对较差。随着对材料性能的要求越来越高，最先进的工艺正在越来多地选择铜作为导体。

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表1.2-1常用导体的性能比较 性质 电阻率（??-cm）20℃时 杨氏模量（?10－11dyn.cm） 热导率（W.cm） 电阻的温度系数?103（K） 热膨胀系数?10（℃） 熔点（℃） 热容（J.kg.K） 在空气中的稳定性 -1-16-1-1-1-2Cu 1.67 12.98 3.98 4.3 17 1085 386 差 Ag 1.59 8.27 4.25 4.1 19.1 962 234 差 Au 2.35 7.85 3.15 4 14.2 1064 132 很好 Al 2.66 7.06 2.38 4.3 23.5 660 917 好 W 5.65 41.1 1.74 4.8 4.5 3387 138 差 集成电路中传统使用的金属布线为铝，具有成本低、技术成熟，粘附力强、易刻蚀、与P型及N型半导体易形成好的欧姆接触等优点：但电阻率相对较高，易于发生电迁徙，易和Si共溶；在300 C左右的工艺温度下铝薄膜上会形成锭，穿透相邻互连线之间的电介质绝缘层造成短路．到了0.18 μm以下工艺，铝的电阻率及抗电迁移能力已经逐渐不能满足工艺性能要求。

从表1.2-1中可以看出，铜是很好的集成电路互连金属的候选者，它的电阻率比铝低35％，比铝合金低近50%，抗电迁移能力比铝高2个数量级。另外铜的应力特性也远好于铝。使用铜互连可以减小芯片上互连线的电阻，或者在保持电阻不变的情况下减小互连金属的厚度来降低同一层内互连线间的耦合电容，从而降低耦合噪声和互连线的信号延迟。在保持同样的R（时间延迟下，可以减少命属布线的层数，而且芯片面积可缩小20~30％。若配合上低介电常数材料（低k层电介质。如SiOC, SiF等），铜互连会使寄生电容降低，IC速度提高，其性能和可靠性均获得提高。

1.3 铝互连与铜互连的不同工艺流程

后端铜互连工艺相对于铝互连工艺，还有简化工艺流程，降低成本的优点。传统的铝互连工艺，是先生长金属层，后覆盖介电层的方式。对于中间层金属层，较为标准的流程是：

? 生长一层介电层，用一次光罩和一次刻蚀工艺，打开通孔

? 生长一层阻挡层以及钨金属层，通过化学机械研磨，去除表面部分，留下

钨通孔部分

? 再生长铝金属层（包括底部的粘合层和顶部的放反射层一次完成），再用一

次光罩和一次刻蚀工艺，定义出铝线的布线 ? 再生长一层介电层，并再次用化学机械研磨做平坦化

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

? 而铜互连工艺与铝互连工艺正好相反，是先制作介电层后并在其上定义通

孔及沟槽位置，后使用金属镶嵌的工艺流程。一般流程是：

? 生长一层介电层（包括其中的刻蚀停止层），通过两次光罩和刻蚀工艺，定

义出通孔和沟槽(即金属布线)

? 生长扩散阻挡层，铜种子层(一次完成)及电镀铜完成金属布线部分， …… 此处隐藏：2515字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……