电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响 - 图文(6)

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

图2.1-1 晶片接触园环意图

pi?d2m??V??Ax??x4x?5.379046838ItMI?tm?nF

其中 M表示铜原子摩尔质量， m表示物质质量， n摩尔当量

F表示法拉第常量 I 电镀时电流大小 t电镀时间 ρ铜原子密度 A晶片表面积 x电镀铜厚度 d 晶原直径 pi 圆周率

由公式3 得知电镀铜厚度于电镀时电流大小和电镀时间成正比关系，为了得到所需厚度的电镀铜，采用高电流可以节省电镀时间，但是电镀铜工艺的填洞能力一般是先随着电流密度的增加而增加，但到了一定的电流密度范围，填洞能力反而随着电流密度的增加而减低。如图所示。 综合考量生产成本和工艺需求，我们一般选用三步电

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

镀法，即电流由小到大三个电镀过程。 第一步采用4.5安培的电流，第二步采用6.75安培电流，第三步采用40.5安培电流。填洞过程在第一步和第二步已经全部完成。

2.3 化学添加剂对电镀工艺的影响

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，再加上集成电路特征尺寸不断缩小，和沟槽深宽比增大，沟槽的填充效果和镀层质量很大程度上取决于电镀液的化学性能，有机添加剂是改善电镀液性能非常关键的因素，填充性能与添加剂的成份和浓度密切相关，关于添加剂的研究一直是电镀铜工艺的重点之一.目前业界使用的有机化学添加剂主要有三种：加速剂（Accelerator），抑制剂(Suppressor)和平增剂(Leveler)。

加速剂主要的作用是加速电镀时铜能很快的从洞的底部生长上来，从而防止上部已经封口但内部的铜并没有生长好所产生的空洞缺陷。其主要成分是含有硫或及其官能团的有机物，例如聚二硫二丙烷磺酸钠（SPS），或3-巯基丙烷磺酸（MPSA）。加速剂分子量较小，一般吸附在铜表面和沟槽底部，降低电镀反应的电化学电位和阴极极化，从而使该部位沉积速率加快，实现沟槽的超填充。

抑制剂的作用相反它作用在空洞的边缘抑制铜的生长，从而防止底部的铜还没有生长好，空洞已经封口。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，一般是长链聚合物。抑制剂的平均相对分子质量一般大于1000，有效性与相对分子

9 质量有关，扩散系数低，溶解度较小，抑制剂的含量通常远大于加速剂和平坦剂。

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抑制剂一般大量吸附在沟槽的开口处，抑制这部分的铜沉积，防止出现空洞。在和氯离子的共同作用下，抑制剂通过扩散-淀积在阴极表面上形成一层连续抑制电流的单层膜，通过阻碍铜离子扩散来抑制铜的继续沉积。

平整剂中一般含有氮原子，通常是含氮的高分子聚合物，粘度较大，因此会依赖质量运输，这样在深而窄的孔内与加速剂、抑制剂的吸附竞争中没有优势，但在平坦和突出的表面，质量传输更有效。沟槽填充完成后，加速剂并不停止工作，继续促进铜的沉积，但吸附了平坦剂的地方电流会受到明显抑制，可以抑制铜过度的沉积。平坦剂通过在较密的细线条上方抑制铜的过度沉积从而获得较好的平坦化效果，保证了较小尺寸的图形不会被提前填满，有效地降低了镀层表面起伏。

在电镀过程中还有其它添加剂，如氯离子的存在，可以增强铜表面抑制剂的吸附作用，这样抑制剂在界面处的浓度就不依赖于它们的质量传输速率和向表面扩散的速率；氢离子可以控制整个电镀槽的导电率。

在铜电镀过程中，对填充过程产生影响的主要是加速剂、抑制剂和氯离子，填充过程完成后对镀层表面粗糙度产生影响的主要是平整剂。 铜电镀是有机添加剂共同作用的结果，它们之间彼此竞争又相互关联。 为实现无空洞和无缺陷电镀，除了改进添加剂的单个性能外，还需要确定几种添加剂同时存在时各添加剂浓度的恰当值，使三者之间互相平衡，才能达到良好的综合性能，得到低电阻率、结构致密和表面粗糙度小的铜镀层。如图2.1-3所示就是整个电镀过程中不同化学添加剂的作用。 晶片进入电镀液前，各种添加剂还没有吸附在铜种子层上，当晶片进入到电镀液时，各种添加液会根据电镀需求和各自特性分布在不同区域，如加速剂是小分子量分子在洞的底部会分布较多，这样可以使铜更快的从底部生出来。Cl-结合抑制剂主要分布在洞口区域，这样可以防止洞口过早封口，当填洞结束后，由于在洞口区域还有加速剂的存在，如果没有平整剂的存在，洞口区域最后会形成一个突起，如果有平整剂存在，会抑制洞口区域的加速效果，从而得到平整的电镀金属层。

= Accelerators= Suppressorsc = Chloride ion

LLcLc c ct = 1 sect = 0 seccc

cc

Additives adsorbed on Cu seed, Wafer immersed in plating bath. Additives not yet adsorbed on Cu seed.little plating has occurred.

LLcLccLcLccc c t = 10 sec t = 20 sec Rapid growth near base occurs as Fill is complete, Cu over feature accelerators accumulate due to has an adsorbed excess of decrease of surface area inside feature.accelerating mercaptospecies.t = 60 secL = Levelers LccLccccct = 3 secLcLConformal plating started in feature; accelerating species accumulate near base.LcLcLcDeposition following fill withlevelers or accelerator desorption. ccDeposition following fill withoutlevelers or accelerator desorption.10

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图2.1-3 电镀过程中不同化学添加剂的作用

2.4 铜金属的自退火效应

电镀后生成的铜原子的晶粒比较小，能量比较高，随着时间的增长晶粒之间互相吞并，进行能量转移，最终长大成为较大晶粒。这个过程我们称之为铜金属得自退火。从图中我们可以看到铜金属自退火过程铜原子晶粒的生长。铜金属自退火过程一般会持续200个小时，当然其它电镀时条件的改变会改变自退火的时间，如电镀铜中有机添加液浓度的增加会延长自退火的时间。

图2.1-3 电镀过程中不同化学添加剂的作用

在实际生产中，我们希望得到大晶粒，低阻值，铜原子大小均匀的铜金属。所以要加速铜原子的自退火速度，于是电镀后退火工艺被引入到电镀工艺当中。一般采用200度的温度，90秒的退火时间可以得跟自退火200小时相同阻值的铜金属。

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