集成电路互联线的电镀技术

芯片是集成电路的载体，由晶圆分割而成。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。芯片中晶体管间的互连技术一直是集成电路制造工艺中的核心。1995年IBM率先提出用铜线代替铝线作为半导体集成电路的互连线方案，并于1998年推出第一个用铜互连大马士革工艺制作的新一代半导体芯片。从此，在大多数的主要芯片制造中铝互连工艺被铜互连工艺取代。

1.大马士革铜互连线工艺流程

大马士革铜互连线工艺流程主要由开槽和孔、形成防扩散层和种子层、电化学镀铜、除多余铜4步组成。

1）在二氧化硅的基材上，通过光刻形成沟槽和连接孔。

2）在基板和沟槽的表面形成防扩散层和种子层。由于铜的自由电子在加热的情况下易于向二氧化硅与硅的界面扩散，从而影响半导体的特性。为了阻止铜的自由电子向二氧化硅与硅的界面扩散，需要在金属铜膜和二氧化硅膜之间加上一层防扩散层，如TaN、TiN、WN等。由于TaN防扩散层电阻率比较大，不能直接实现均匀的电化学镀铜，故需在防扩散层表面形成一层铜层作为导电或种子层。防扩散层和铜种子层一般采用真空溅射或物理气相沉积形成。

3）在铜种子层上再电化学镀铜填充沟槽。为了避免在沟槽底部形成空洞或缝隙，可通过超级电化学镀铜来填充微细的沟槽。

4）多余的铜经化学机械抛光去除，对互联线进行平面化处理。

2.电镀铜互联线工艺

大马士革电镀铜的阴极是镀覆了铜种子层的晶圆，在电镀前要进行脱脂和去氧化膜处理。可在稀硫酸中浸泡120s，再用去离子水清洗3次，每次清洗20s，再用高纯氮气吹干，以除去铜种子层表面的氧化膜。

所采用的镀铜液是硫酸盐体系，含有五水硫酸铜110g/L、硫酸175g/L、Cl^-50mg/L和添加剂。当含有铜镀液中没有Cl-存在时，两个Cu²⁺间以两个水分子当媒介传递电子，距离较远，电子传送速度较慢，当有Cl^-存在时，两个Cu²⁺间可以通过一个Cl^-相连，电子的传递会容易，而使Cu²⁺容易还原成Cu⁺，加速铜的还原反应。添加剂有商品化的专用添加剂，加入量一般为5～10mL/L，还可以添加2-四氢噻唑硫酮10mg/L和苯基聚二硫二丙烷硫酸钠10mg/L，以减少镀层内应力。阴极电流密度为2～3A/dm²，温度为20℃。(www.xing528.com)

大马士革电镀铜工艺在孔或金属槽的底部、侧壁和上部容易出现空洞，主要影响因素有镀液组分、外加电场的波形、电流密度、孔和槽的形状以及铜种子层的质量。通常，侧壁和底部的空洞是由于铜种子层没有完全覆盖晶圆基体造成的。另外一种现象是电镀铜在通孔或金属槽还没有填满之前，上部已经封口，从而造成中间空洞。

电镀铜工艺的改进主要有两方面：一是添加其他有机物添加剂，二是采用外加电场并对电流波形进行调制。在酸性硫酸铜电镀液中加入含有催化剂和抑制剂的有机物添加剂，可以降低顶部的沉积速度、提高孔和金属槽底部的沉积速度。在正、负电极之间加脉冲波形电场或加多级直流电场。施加脉冲波形电场时，正电场时加快图形底部扩散层的置换，最终达到消除空洞的目的。负电场明显改进图形侧壁的平均沉积速度，其产生的铜离子梯度分布加快了底部的沉积速度。脉冲电场与低的正向电流相结合，可以显著改进电镀铜在孔颈部位的夹断现象，从而减小中间空洞。

铜电镀层的质量对后续工序影响很大，片间、片内、芯片内非均匀性容易造成后续的化学机械抛光工艺缺陷，在图形低密度区域会发生凹陷，而在图形高密度区易发生侵蚀。一般采用铜膜厚总偏差来控制铜电镀层的质量。

3.超级化学镀铜互联线工艺

随着半导体技术的飞速发展，铜互连线的宽度变得越来越窄，传统电镀填充变得比较困难，而超级化学镀填充能够实现微孔或微沟槽的完美填充。

化学镀铜理论上能够实现均匀的铜沉积，然而受沟槽或微孔中各种氧化剂、还原剂以及pH值的影响，实际填充过程中往往会出现缝隙、空洞等缺陷。当铜在沟槽或微孔口部附近的沉积速度大于其在沟槽或微孔底部的沉积速度时，铜镀层会封口而形成空洞。当铜在沟槽或微孔底部和沟槽外的沉积速度比较均匀时，则会在道沟或微孔中间形成缝隙，这称为均匀填充。只有当铜在沟槽或微孔底部的沉积速度大于其在沟槽或微孔表面的沉积速度时，才能将沟槽或微孔填充满，避免产生缝隙和空洞，实现无缺陷填充，这称为超级填充，是最理想的填充方式，实现超级化学镀铜的关键是在化学镀铜溶液中选择合适的添加剂，即加速剂或抑制剂。从理论上来说，超级化学镀铜技术不仅可以解决宽度小于70nm的铜互连线的微孔或沟槽的填充问题，而且，也可以完全填充深径比达到10以上的三维封装贯通导线。

化学镀铜前，镀覆了铜种子层的晶圆在1mol/LH₂SO₄中清洗5min，可以施加超声波以提高去除铜种子层表面的氧化层的效果，然后用去离子水清洗2～3次，除去残留的H₂SO₄。将经过上述预处理后的晶圆置于化学镀铜液中进行填充处理。化学镀铜液中含有五水硫酸铜10g/L，乙二胺四乙酸二钠30g/L，甲醛（体积分数为37%）3ml/L，以及适量的添加剂。施镀温度为70℃，pH值为12.5。

添加剂的选择有两种方案：一种方案选择单一添加剂，这类添加剂起抑制剂的作用，相对分子质量较大，扩散系数小，能在微孔口部和底部形成浓度梯度，使铜离子自微孔或沟槽口部到底部的浓度逐渐降低，从而控制铜的沉积速度；另一种方案是选择含有加速剂和抑制剂的复合添加剂，加速剂的相对分子质量小，扩散系数较大，抑制剂的相对分子质量较大，扩散系数较小，两者之间具有协同抑制作用，一方面抑制剂起抑制沟槽或微孔表面的沉积速度的作用，同时加速剂和抑制剂起协同抑制沟槽或微孔内部沉积速度的作用，从而实现超级化学镀铜的完美填充。