1.雙嵌入式銅互連工藝

　　隨著芯片集成度的不斷提高，銅已經(jīng)取代鋁成為超大規(guī)模集成電路制造中的主流互連技術(shù)。作為鋁的替代物，銅導(dǎo)線可以降低互連阻抗，降低功耗和成本，提高芯片的集成度、器件密度和時(shí)鐘頻率。

　　由于對(duì)銅的刻蝕非常困難，因此銅互連采用雙嵌入式工藝，又稱雙大馬士革工藝（Dual Damascene），1）首先沉積一層薄的氮化硅（Si3N4）作為擴(kuò)散阻擋層和刻蝕終止層，2）接著在上面沉積一定厚度的氧化硅（SiO2），3）然后光刻出微通孔（Via），4）對(duì)通孔進(jìn)行部分刻蝕，5）之后再光刻出溝槽（Trench），6）繼續(xù)刻蝕出完整的通孔和溝槽，7）接著是濺射（PVD）擴(kuò)散阻擋層（TaN/Ta）和銅種籽層（Seed Layer）。Ta的作用是增強(qiáng)與Cu的黏附性，種籽層是作為電鍍時(shí)的導(dǎo)電層，8）之后就是銅互連線的電鍍工藝，9）最后是退火和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP），對(duì)銅鍍層進(jìn)行平坦化處理和清洗。

　　電鍍是完成銅互連線的主要工藝。集成電路銅電鍍工藝通常采用硫酸鹽體系的電鍍液，鍍液由硫酸銅、硫酸和水組成，呈淡藍(lán)色。當(dāng)電源加在銅（陽(yáng)極）和硅片（陰極）之間時(shí)，溶液中產(chǎn)生電流并形成電場(chǎng)。陽(yáng)極的銅發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化成銅離子和電子，同時(shí)陰極也發(fā)生反應(yīng)，陰極附近的銅離子與電子結(jié)合形成鍍?cè)诠杵�表面的銅，銅離子在外加電場(chǎng)的作用下，由陽(yáng)極向陰極定向移動(dòng)并補(bǔ)充陰極附近的濃度損耗。電鍍的主要目的是在硅片上沉積一層致密、無(wú)孔洞、無(wú)縫隙和其它缺陷、分布均勻的銅。

　　2.電鍍銅工藝中有機(jī)添加劑的作用

　　由于銅電鍍要求在厚度均勻的整個(gè)硅片鍍層以及電流密度不均勻的微小局部區(qū)域（超填充區(qū)）能夠同時(shí)傳輸差異很大的電流密度，再加上集成電路特征尺寸不斷縮小，和溝槽深寬比增大，溝槽的填充效果和鍍層質(zhì)量很大程度上取決于電鍍液的化學(xué)性能，有機(jī)添加劑是改善電鍍液性能非常關(guān)鍵的因素，填充性能與添加劑的成份和濃度密切相關(guān)，關(guān)于添加劑的研究一直是電鍍銅工藝的重點(diǎn)之一[1，2].目前集成電路銅電鍍的添加劑供應(yīng)商有Enthone、Rohm&Haas等公司，其中Enthone公司的ViaForm系列添加劑目前應(yīng)用較廣泛。ViaForm系列包括三種有機(jī)添加劑：加速劑（Accelerator）、抑制劑（Suppressor）和平坦劑（Leverler）。當(dāng)晶片被浸入電鍍槽中時(shí)，添加劑立刻吸附在銅種籽層表面，如圖3所示。溝槽內(nèi)首先進(jìn)行的是均勻性填充，填充反應(yīng)動(dòng)力學(xué)受抑制劑控制。接著，當(dāng)加速劑達(dá)到臨界濃度時(shí)，電鍍開始從均勻性填充轉(zhuǎn)變成由底部向上的填充。加速劑吸附在銅表面，降低電鍍反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)勢(shì)，促進(jìn)快速沉積反應(yīng)。當(dāng)溝槽填充過(guò)程完成后，表面吸附的平坦劑開始發(fā)揮作用，抑制銅的繼續(xù)沉積，以減小表面的粗糙度。

　　加速劑通常是含有硫或及其官能團(tuán)的有機(jī)物，例如聚二硫二丙烷磺酸鈉（SPS），或3-巰基丙烷磺酸（MPSA）。加速劑分子量較小，一般吸附在銅表面和溝槽底部，降低電鍍反應(yīng)的電化學(xué)電位和陰極極化，從而使該部位沉積速率加快，實(shí)現(xiàn)溝槽的超填充。

　　抑制劑包括聚乙二醇（PEG）、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物，一般是長(zhǎng)鏈聚合物。抑制劑的平均相對(duì)分子質(zhì)量一般大于1000，有效性與相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)，擴(kuò)散系數(shù)低，溶解度較小，抑制劑的含量通常遠(yuǎn)大于加速劑和平坦劑。抑制劑一般大量吸附在溝槽的開口處，抑制這部分的銅沉積，防止出現(xiàn)空洞。在和氯離子的共同作用下，抑制劑通過(guò)擴(kuò)散-淀積在陰極表面上形成一層連續(xù)抑制電流的單層膜，通過(guò)阻礙銅離子擴(kuò)散來(lái)抑制銅的繼續(xù)沉積。氯離子的存在，可以增強(qiáng)銅表面抑制劑的吸附作用，這樣抑制劑在界面處的濃度就不依賴于它們的質(zhì)量傳輸速率和向表面擴(kuò)散的速率。氯離子在電鍍液中的含量雖然只有幾十ppm，但對(duì)銅的超填充過(guò)程非常重要。如果氯濃度過(guò)低，會(huì)使抑制劑的作用減弱；若氯濃度過(guò)高，則會(huì)與加速劑在吸附上過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)。

　　平坦劑中一般含有氮原子，通常是含氮的高分子聚合物，粘度較大，因此會(huì)依賴質(zhì)量運(yùn)輸，這樣在深而窄的孔內(nèi)與加速劑、抑制劑的吸附競(jìng)爭(zhēng)中沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但在平坦和突出的表面，質(zhì)量傳輸更有效。溝槽填充完成后，加速劑并不停止工作，繼續(xù)促進(jìn)銅的沉積，但吸附了平坦劑的地方電流會(huì)受到明顯抑制，可以抑制銅過(guò)度的沉積。平坦劑通過(guò)在較密的細(xì)線條上方抑制銅的過(guò)度沉積從而獲得較好的平坦化效果，保證了較小尺寸的圖形不會(huì)被提前填滿，有效地降低了鍍層表面起伏。

　　在銅電鍍過(guò)程中，對(duì)填充過(guò)程產(chǎn)生影響的主要是加速劑、抑制劑和氯離子，填充過(guò)程完成后對(duì)鍍層表面粗糙度產(chǎn)生影響的主要是平坦劑。銅電鍍是有機(jī)添加劑共同作用的結(jié)果，它們之間彼此競(jìng)爭(zhēng)又相互關(guān)聯(lián)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)空洞和無(wú)缺陷電鍍，除了改進(jìn)添加劑的單個(gè)性能外，還需要確定幾種添加劑同時(shí)存在時(shí)各添加劑濃度的恰當(dāng)值，使三者之間互相平衡，才能達(dá)到良好的綜合性能，得到低電阻率、結(jié)構(gòu)致密和表面粗糙度小的銅鍍層。

　　盡管使用有機(jī)添加劑可實(shí)現(xiàn)深亞微米尺寸的銅電鍍，但往往會(huì)有微量的添加劑被包埋在銅鍍層中。對(duì)于鍍層來(lái)說(shuō)，這些雜質(zhì)可能會(huì)提高電阻系數(shù)，并且使銅在退火時(shí)不太容易形成大金屬顆粒。

　　電鍍過(guò)程中添加劑不斷地被消耗，為了保證鍍層的品質(zhì)，需要隨時(shí)監(jiān)控添加劑的濃度。目前主要使用閉環(huán)的循環(huán)伏安剝離法（Cylic Voltammetric Stripping，CVS）來(lái)監(jiān)測(cè)電鍍液的有機(jī)添加劑含量。CVS測(cè)量?jī)x器的主要供應(yīng)商是美國(guó)ECI公司。CVS盡管硬件成本低，但它很難反映出幾種添加劑組分濃度同時(shí)改變的準(zhǔn)確情況，高效液相色譜（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）分析技術(shù)有望能替代CVS.