3.脈沖電鍍和化學(xué)鍍在銅互連中的應用

　　在目前的集成電路制造中，芯片的布線(xiàn)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(gè)可變參數，而脈沖電鍍則有電流/電壓、脈寬、脈間三個(gè)主要可變參數，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(guò)程有更強的控制能力。最近幾年，關(guān)于脈沖電鍍在集成電路銅互連線(xiàn)中的應用研究越來(lái)越受到重視[3，4].脈沖電鍍銅所依據的電化學(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通時(shí)，接近陰極的金屬離子被充分地沉積；當電流關(guān)斷時(shí)，陰極周?chē)�的放電離子又重新恢復到初始濃度。這樣陰極表面擴散層內的金屬離子濃度就得到了及時(shí)補充，擴散層周期間隙式形成，從而減薄了擴散層的實(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有好處，還會(huì )產(chǎn)生一些對沉積層有利的重結晶、吸脫附等現象。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(wú)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，能夠在非導體表面沉積，具有設備簡(jiǎn)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)中的應用主要有：沉積CoWP等擴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(xiàn)以及溝槽填充的研究亦成為一大熱點(diǎn)，有研究報道通過(guò)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(wèn)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(wú)種籽層電鍍是目前銅互連技術(shù)的研究熱點(diǎn)[7].在當前的銅互連工藝中，擴散阻擋層和銅種籽層都是通過(guò)PVD工藝制作。但是當芯片的特征尺寸變?yōu)?5nm或者更小時(shí)，擴散阻擋層和銅種籽層的等比例縮小將面臨嚴重困難。首先，種子層必須足夠薄，這樣才可以避免在高縱寬比結構上沉積銅時(shí)出現頂部外懸結構，防止產(chǎn)生空洞；但是它又不能太薄。其次，擴散層如果減薄到一定厚度，將失去對銅擴散的有效阻擋能力。還有，相對于銅導線(xiàn)，阻擋層橫截面積占整個(gè)導線(xiàn)橫截面積的比例變得越來(lái)越大。但實(shí)際上只有銅才是真正的導體。例如，在65nm工藝時(shí)，銅導線(xiàn)的寬度和高度分別為90nm和150nm，兩側則分別為10nm.這意味著(zhù)橫截面為13，500 nm2的導線(xiàn)中實(shí)際上只有8，400 nm2用于導電，效率僅為62.2%[7].目前最有可能解決以上問(wèn)題的方法是ALD和無(wú)種籽電鍍。使用ALD技術(shù)能夠在高深寬比結構薄膜沉積時(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阻擋層可以降低導線(xiàn)電阻[7].因此ALD技術(shù)很有望會(huì )取代PVD技術(shù)用于沉積阻擋層。不過(guò)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(guò)渡金屬-釕可以實(shí)現銅的無(wú)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(wú)種籽層電鍍同時(shí)也為銅電鍍工藝帶來(lái)新的挑戰，釕和銅在結構上的差異，使得釕上電鍍銅與銅電鍍并不等同，在界面生長(cháng)，沉積模式上還有許多待研究的問(wèn)題。

　　5.結語(yǔ)

　　銅互連是目前超大規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。有機添加劑是銅電鍍工藝中的關(guān)鍵因素，各種有機添加劑相互協(xié)同作用但又彼此競爭，恰當的添加劑濃度能保證良好的電鍍性能。在45nm或更小特征尺寸技術(shù)代下，為得到低電阻率、無(wú)孔洞和缺陷的致密銅鍍層，ALD和無(wú)種籽電鍍被認為是目前最有可能的解決辦法。此外，研究開(kāi)發(fā)性能更高的有機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。