3.脈沖電鍍和化學(xué)鍍在銅互連中的應(yīng)用
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。但直流電鍍只有電流/電壓一個可變參數(shù)，而脈沖電鍍則有電流/電壓、脈寬、脈間三個主要可變參數(shù)，而且還可以改變脈沖信號的波形。相比之下，脈沖電鍍對電鍍過程有更強(qiáng)的控制能力。最近幾年，關(guān)于脈沖電鍍在集成電路銅互連線中的應(yīng)用研究越來越受到重視[3，4].脈沖電鍍銅所依據(jù)的電化學(xué)原理是利用脈沖張馳增加陰極的活化極化，降低陰極的濃差極化，從而改善鍍層的物理化學(xué)性能。在直流電鍍中，由于金屬離子趨近陰極不斷被沉積，因而不可避免地造成濃差極化。而脈沖電鍍在電流導(dǎo)通時(shí)，接近陰極的金屬離子被充分地沉積；當(dāng)電流關(guān)斷時(shí)，陰極周圍的放電離子又重新恢復(fù)到初始濃度。這樣陰極表面擴(kuò)散層內(nèi)的金屬離子濃度就得到了及時(shí)補(bǔ)充，擴(kuò)散層周期間隙式形成，從而減薄了擴(kuò)散層的實(shí)際厚度。而且關(guān)斷時(shí)間的存在不僅對陰極附近濃度恢復(fù)有好處，還會產(chǎn)生一些對沉積層有利的重結(jié)晶、吸脫附等現(xiàn)象。脈沖電鍍的主要優(yōu)點(diǎn)有：降低濃差極化，提高了陰極電流密度和電鍍效率，減少氫脆和鍍層孔隙；提高鍍層純度，改善鍍層物理性能，獲得致密的低電阻率金屬沉積層。
除了電鍍以外，還有一種無需外加電源的沉積方式，這就是化學(xué)鍍�；瘜W(xué)鍍不同于電鍍，它是利用氧化還原反應(yīng)使金屬離子被還原沉積在基板表面，其主要特點(diǎn)是不需要種籽層，能夠在非導(dǎo)體表面沉積，具有設(shè)備簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)�；瘜W(xué)鍍目前在集成電路銅互連技術(shù)中的應(yīng)用主要有：沉積CoWP等擴(kuò)散阻擋層和沉積銅種籽層。最近幾年關(guān)于化學(xué)鍍銅用于集成電路銅互連線以及溝槽填充的研究亦成為一大熱點(diǎn)，有研究報(bào)道通過化學(xué)鍍同樣可以得到性能優(yōu)良的銅鍍層[5，6].但是化學(xué)鍍銅通常采用甲醛做為還原劑，存在環(huán)境污染的問題。
4.銅互連工藝發(fā)展趨勢
使用原子層沉積（ALD ，Atomic Layer Deposition）技術(shù)沉積阻擋層和銅的無種籽層電鍍是目前銅互連技術(shù)的研究熱點(diǎn)[7].在當(dāng)前的銅互連工藝中，擴(kuò)散阻擋層和銅種籽層都是通過PVD工藝制作。但是當(dāng)芯片的特征尺寸變?yōu)?5nm或者更小時(shí)，擴(kuò)散阻擋層和銅種籽層的等比例縮小將面臨嚴(yán)重困難。首先，種子層必須足夠薄，這樣才可以避免在高縱寬比結(jié)構(gòu)上沉積銅時(shí)出現(xiàn)頂部外懸結(jié)構(gòu)，防止產(chǎn)生空洞；但是它又不能太薄。其次，擴(kuò)散層如果減薄到一定厚度，將失去對銅擴(kuò)散的有效阻擋能力。還有，相對于銅導(dǎo)線，阻擋層橫截面積占整個導(dǎo)線橫截面積的比例變得越來越大。但實(shí)際上只有銅才是真正的導(dǎo)體。例如，在65nm工藝時(shí)，銅導(dǎo)線的寬度和高度分別為90nm和150nm，兩側(cè)則分別為10nm.這意味著橫截面為13，500 nm2的導(dǎo)線中實(shí)際上只有8，400 nm2用于導(dǎo)電，效率僅為62.2%[7].目前最有可能解決以上問題的方法是ALD和無種籽電鍍。使用ALD技術(shù)能夠在高深寬比結(jié)構(gòu)薄膜沉積時(shí)具有100%臺階覆蓋率，對沉積薄膜成份和厚度具有出色的控制能力，能獲得純度很高質(zhì)量很好的薄膜。而且，有研究表明：與PVD阻擋層相比，ALD阻擋層可以降低導(dǎo)線電阻[7].因此ALD技術(shù)很有望會取代PVD技術(shù)用于沉積阻擋層。不過ALD目前的缺點(diǎn)是硬件成本高，沉積速度慢，生產(chǎn)效率低。
此外，過渡金屬-釕可以實(shí)現(xiàn)銅的無種籽電鍍，在釕上電鍍銅和普通的銅電鍍工藝兼容。釕的電阻率（~7 μΩ-cm），熔點(diǎn)（~2300℃），即使900℃下也不與銅發(fā)生互熔。釕是貴金屬，不容易被氧化，但即使被氧化了，生成的氧化釕也是導(dǎo)體。由于釕對銅有一定的阻擋作用，在一定程度上起到阻擋層的作用，因此釕不僅有可能取代擴(kuò)散阻擋層常用的Ta/TaN兩步工藝，而且還可能同時(shí)取代電鍍種籽層，至少也可以達(dá)到減薄阻擋層厚度的目的。況且，使用ALD技術(shù)沉積的釕薄膜具有更高的質(zhì)量和更低的電阻率。但無種籽層電鍍同時(shí)也為銅電鍍工藝帶來新的挑戰(zhàn)，釕和銅在結(jié)構(gòu)上的差異，使得釕上電鍍銅與銅電鍍并不等同，在界面生長，沉積模式上還有許多待研究的問題。
5.結(jié)語
銅互連是目前超大規(guī)模集成電路中的主流互連技術(shù)，而電鍍銅是銅互連中的關(guān)鍵工藝之一。有機(jī)添加劑是銅電鍍工藝中的關(guān)鍵因素，各種有機(jī)添加劑相互協(xié)同作用但又彼此競爭，恰當(dāng)?shù)奶砑觿舛饶鼙ＷC良好的電鍍性能。在45nm或更小特征尺寸技術(shù)代下，為得到低電阻率、無孔洞和缺陷的致密銅鍍層，ALD和無種籽電鍍被認(rèn)為是目前最有可能的解決辦法。此外，研究開發(fā)性能更高的有機(jī)添加劑也是途徑之一，而使用新的電鍍方式（比如脈沖電鍍）也可能提高銅鍍層的質(zhì)量。
