铜互连技术

铜互连技术

周江涛、周长聘、严玮俊、沈系蒙、陈龙

摘要：在集成电路中采用双镶嵌工艺制备互连线，铜作为互连线的材料具有低电阻率和

较好的抗电迁移能力等优点，同时存在新的缺陷模式如沟槽缺陷、气泡缺陷、金属缺失等，目前的工作主要是该工艺的完善。

1、引言：铜互连技术指在半导体集成电路互连层的制作中采用铜金属材料取代传统

铝金属互连材料的新型半导体制造工艺技术。由于采用铜互连线可以降低互连层的厚度，使得互连层间的分布电容降低，从而使频率提高成为可能。另外，在器件密度进一步增加的情况下还会出现由电子迁移引发的可靠性问题，而铜在这方面比铝也有很强的优越性。

铜的电阻率为1.7μΩ•cm，而铝的电阻率为2.8μΩ•cm，所以铜的导电率大大高于铝。由于采用铜互连线可以降低互连层的厚度，使得互连层间的分布电容降低，从而使频率提高成为可能。另外，在器件密度进一步增加的情况下还会出现由电子迁移引发的可靠性问题，而铜在这方面比铝也有很强的优越性，铜的熔点为1083℃，铝的熔点为660℃，铜更不容易发生电迁移。铜互连技术于1998年被引入后，得到了良好的发展，目前已经成为130nm以下节点技术所必须采用的工艺技术。当前铜互连层已经由原来的6~7层发展到现今的9~10层。

本文将按如下次序介绍:

Cu淀积(用于生长籽晶)；铜图形化方法－－铜图形化

有三种方法：镶嵌工艺（damascene）, 剥离工艺 , 铜刻

蚀；抛光(完成互连制备)。

铜互连工艺简介：Cu的互连工艺最早在1997年9月

由IBM提出来的，被称为是镶嵌工艺（也称大马士革）。

并应用于制备微处理器、高性能存储器及数字信号处理器

等等。它采用对介电材料的腐蚀来代替对金属的腐蚀来确

定连线的线宽和间距。镶嵌工艺分为单镶嵌和双镶嵌。它

们的区别就是在于穿通孔和本曾的工艺连线是否是同时

制备的。

2、铜籽晶层制备

经过一系列布线刻槽和穿通孔加工完毕后，是Cu的淀积过程。由于铜虽然电阻率和电迁移特性优于铝, 但是也有不如铝的方面。铜对二氧化硅等材料的粘附性很弱,而且在二氧化硅中的扩散系数很大, 所以铜互连线外面需要有一层DBA P (diffuSion barrier and adheSion promoter) , 简称为阻挡层(barrier) , 阻挡层可为氮化硅（Si3N4 ）、氮化钛(T iN )、氮化钨(WN )、钽(Ta) 等。为了能更好地电度上Cu，需要先做上一层薄薄的Cu籽晶层,它对二氧化硅等材料的粘附性却很强，之后再电度Cu。目前有多种途径来生长种籽层：（溅射法、化学气相淀积法、原子层淀积法）。

A、溅射法制备种籽层：溅射是物理气相淀积的形式之一，具有工艺简单，能够淀积

高熔点的金属和原位溅射刻蚀等优点。因此溅射是目前集成电路工业铜种籽层最主要的制备方法。由于铜容易与其他材料发生反应，粘附系数高，因此在填充高宽比大的引线孔和沟槽时，往往会先将洞口上方堵塞，从而在引线孔和沟槽中留下孔洞，无法完全填充，这样势必会对器件造成很大影响。因此需要采用溅射方法，如准直溅射法和长距离抛镀法，以及离子化物理气相淀积等改善溅射过程的填充能力。

改进方法：准直溅射、长距离抛镀

准直溅射的改进与传统溅射方法相比，在溅射靶和衬底之间放置了一块过滤栅格，它只能允许栅格方向的铜原子通过，并将沿其他方向溅射原子过滤，这样就减少铜原子淀积到边墙的可能。但这种方法的缺点时淀积速率大大降低。

另一种传统改进方法是长距离抛镀。在长距离抛度中，溅射靶和衬底之间间距拉大，通过减小溅射源的有效尺寸来限制铜原子的入射角度，从而改善台阶覆盖能力。这个溅射工艺需要较低的压强，才能保证铜原子从溅射靶到衬底的途中不会相互碰撞。而且靶和衬底间加了上KV的电压，能使金属离子有充分的动能和方向性，改善了填充能力。长距离抛镀的缺点是淀积速率也比较低。这种方法也称离子化的物理气相淀积（IPVD）。

目前最有前景的一项IPVD技术基于磁控溅射方法。金属粒子流从磁控管靶打出，然后通过射频或某种特殊设计的磁控源电离成金属离子。电子回旋共振（ECR）放电方法在近年来得到应用。大部分蒸发的铜原子都被电离，这样在溅射靶和衬底之间形成铜蒸汽的等离子体，电势差位50v左右。比起传统的蒸发方式，ECR能提供更好的填充性。

B、化学气相淀积：铜的化学气相淀积采用有机金属的前驱物来作为淀积铜薄膜的来源。CVD方法有两个主要问题，首先是前驱物的选择，前驱物必须具有很好的挥发性。其次反应副产物会影响淀积铜薄膜的纯度。但CVD可以提供很好的洞孔填充能力和台阶覆盖性，这是CVD比PVD的主要优势。

CVD装置是由一个冷壁的反应器，只有衬底被加热。在热壁反应器中整个反应腔被加热，但这会导致铜淀积到反应腔壁上。常用的前驱物是Cu(I)和Cu(II)。Cu(I)的化合物是Cu(Ln),其中（Ln）为有机团基。它具有较高的蒸汽压，可以在较低的温度淀积铜，并且不需要借助还原气体反应，为液体，但缺点是在室温下不稳定；Cu(II)，它需要借助还原气体才能进行反应，如H2。它在室温下能稳定存在，是固体，这在控制蒸发和输运上有一定的困难，所以可以将它先溶解在溶剂中，通过控制溶剂的输运进入反应器。其中反应方程：

在铜淀积过程中, 通过用等离子体激发反应物可以使反应更为有效。CVD方法制备通常可以达到100nm/min。由于前驱物分子从不同方向进行反应，通常薄膜的保角性很好。前驱物粘附系数应当小，这样才不会在洞口上发生反应。当然，前驱物应当具有较大的表面扩散系数。

C、原子层淀积(ALD)：是基于交替的饱和表面反应。在ALD工艺中，前驱物交替进入反应器，每一时刻反应腔只有一种反应物，之间通过惰行气体将多余的反应物和副产物排出，由于表面反应是自限制的，理论上ALD每生长周期里只淀积单个原子层厚的薄膜，虽然速度慢，但实现大面积均匀生长和良好的高形态比台阶覆盖能力，这使得ALD越来越受到关注。ALD工艺中使用CuCl2做反应物，H2做还原剂。

在上述的这些工艺，ALD工艺结果最好，它可以淀积在氮化物阻挡层上，而且薄膜杂质含量低。典型的ALD周期是由12秒的反应脉冲和20秒排气脉冲组成。电阻率随膜厚度的