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
增加而减小。

当淀积的膜厚度为120nm时，电阻率仅为1.78μΩ*cm。

而厚度为20nm时，由于电子界面散射效应，将增大为4.25μΩ*cm。

3、镀铜
电镀工艺的主要目的是在晶片上镀一层致密、无孔洞、无缝隙和其他缺陷、分布均匀的铜。

此外，在对大尺寸、空旷区结构进行填充的同时，要能对密集区、高纵宽比结构和微通孔等进行填充。

当然，最好电镀后表面能够尽可能平坦，减少后续。

现有多种沉积铜的工艺，即非电学淀积（物理
气相淀积、化学气相淀积）电离-56、电镀和化学镀
等。

下面先介绍一下电化学镀铜（ECP）来制备铜互
连线：
电镀铜通常成本低，产率高，洞孔填充好等优点，
而被广泛应用。

在电镀过程中，衬底做阴极，阳极处
的溶液提供铜离子，在电场作用下将不断淀积到硅片
表面。

最常用的ECP电镀液基于酸性如硫酸，一些碱
性也在研制中。

ECP不能直接淀积到绝缘物上，所以
先淀积一层导电层。

这一层可以时阻挡层，也可以时
CVD或PVD淀积的铜种籽层。

ECP可以分为三个部分：
两电极附近的边界层和中间体区。

在边界层中，离子
的扩散是通过浓度梯度，而在体区离子的输运是在电
场下作用进行。

一般来说，铜离子能够完成的转化为镀膜的铜原子，所以镀膜的速率就可以用电流密度来衡量。

硅片表面镀膜的均匀性主要由电流分布决定。

电压与电流的关系是：当电压较小时，电流随着电压增大而增大。

当电压到一定值后，电流达到上限，这上限电流与系统的质量输运有关。

如果在电极加电压，通过分析电流和时间的关系图，就可以得到ECP中的成核和薄膜生长情况。

使用硫酸钾和硫酸铜混合溶液做电镀液，PH=4。

起初两边界层进行充电，之后电流与时间关系主要由新核的产生与已形成核的生长之间的竞争决定，很多情况下，每个核周围会形成一个离子耗尽扩散区，这区域限制了新核的产生，也限制了已形成核的生长。

如果扩散区之间没有重叠，那么可以用下式描述成核速度：
N0为成核点的数量，A为成核速率常数。

当At >> 1时，得到N=N0，称立即成核，即刚开始就有这些核形成，此时电流密度正比时间的1/2次方；当AT << 1时，得到N << N0，称逐步成核，即成核数随时间线性增长，此时电流密度正比时间3/2次。

4、抛光（CMP）
铜淀积工艺完成后的下一步关键技术就是采用化学机械抛光技术, 将沟槽以外的多余的铜除去, 留下沟槽中的铜, 实现铜互连技术中铜引线的图形化。

由于金属铜是一种易于氧化和变形的金属, 所以, 很适合采用CMP 方法来对其进行抛光。

表面平整度问题仍然是化学机械抛光技术中的一大难点, 易腐蚀性使得铜在抛光后
可能形成凹坑和过腐蚀现象, 使得铜引线的可靠性下降, 可通过改变垫片硬度、调整压力、转速及抛光液的流量和组分比等方法来使其平整度接近理想化。

化学机械抛光后的清
洗工艺也是铜CMP 技术中的一步关键步
骤, 由于在抛光过程中, 硅片的背面和
侧面都有可能沾有含铜的物质, 如果不
及时将其去除, 则会直接影响到器件的
性能。

另外, 由于铜在空气中容易氧化,
而且不能形成自保护层来阻止其进一步
氧化和腐蚀。

因此, 当CMP 工艺完成之
后, 应立即给铜的表面生长一层保护层,
以防止其在空气中的氧化, 目前普遍采
用在表面淀积一层Si3N4 或选择性淀积
W 的方法作为铜的表面保护层。

A. 平坦化技术
图表示了ILD：①未作平坦化；②部
分平坦化；③局部平坦化；④全局平
坦化之区别。

圆片在具有流动性，能较
好地圆滑表面，属于部分平坦化，同时
它还能起到钝化作用，在其上光刻/ 刻
蚀出接触区，淀积第1 层金属，构成最
初的金属互连。

由于金属熔点较低，在
淀积金属后不能再采用高温工艺，所以
一般首先使用等离子体增强化学气相淀
积（PECVD）淀积SiO2、Si3H4 以构成后
继的ILD，此时需要平坦化处理介质层；然后刻蚀出通孔（Via），形成与第2 层金属相连用的插塞；最后淀积金属、光刻/ 刻蚀金属，制备出第2 层金属互连。

重复上述过程，即制成多层互连的晶圆。

部分平坦化之法还有回蚀刻（Etch-back）和侧墙等技术。

局部平坦化的特点是在一定范围的硅片表面上实现平坦化，主要技术为旋涂玻璃（SOG）法。

SOG 是一种相当于SiO2 的液相绝缘材料，通过类似涂胶的工艺，将其有效地填满凹槽以实现局部平坦化。

全局平坦化则主要通过化学机械抛光（CMP）来实现，其特点是整个硅片表面上介质层是平整的。

B. CMP 技术
CMP是通过圆片和抛光头之间的相对运动来平坦化圆片表面。

在圆片与抛光头之间有研磨液，并同时施加压力（见图3 ）。

CMP 设备亦常称为抛光机。

在一台抛光机中，圆片放在一个固定器或载片头上，并面向转盘上的抛光垫。

圆片和抛光垫之间的相对运动由设备进行不同的控制。

大部分抛光机都采用旋转运动或轨道运动。

在一些设备中，转盘由电气传动；而在另外的抛光机中，载片头运动，而转盘只是在载片头的带动下运动。

磨头附近有研磨液滴入以完成抛光。

研磨液是含有特定微小颗粒的碱性或酸性溶液。

CMP圆片在研磨过程中不断磨去凸起的表面材料，最终做到表面平坦化。

CMP的独到之处是它能用适当设计的研磨液和抛光垫来抛光多层互连结构中的介质和金属层。

CMP的主要问题是如何保证整个圆片的抛光均匀性。

因为即使CMP设备保证了对磨片表面的均匀性，且化学反应均匀，也不能获得一致的抛光速率，原因是它还与圆片表面的状态有关。

圆片表面图形分布不一，造成抛光过程中的不均匀性，称为CMP 图形效应。

一般采用反刻增加冗余图形的方法来解决这一问题。

C. 插塞和金属通孔填充技术
由于层间介质厚度较大，使得连接上下金属线变得较深，故对于一般的金属溅射淀积将有严重的工艺缺陷，包括形成断裂和空洞。

传统的方法是刻蚀通孔时依次采用“干法刻蚀＋湿法腐蚀”的方式，加以圆滑台阶的角度，扩大金属淀积入口，随后淀积一次金属，同时完成金属间的连接。

现代的方法是运用专门的插塞工艺，如图4 所示，即淀积通孔中金属的专用工艺，主要有“钨填充回刻”和“高温铝”的方法。

“钨填充回刻”系利用C V D淀积W 解决通孔的填充问题，然后再用回刻去除多余的钨；“高温铝”则是运用较高温度下铝的流动性来填充通孔。

D. CMP后圆片表面的及时清洗与保护
在CMP 工序后必须立即对圆片表面进行清洗，因为晶圆表面会粘附研磨液粒子和金属离子，它们会侵蚀圆片表面，所以国外研发了“干进干出”的CMP设备（即组合CMP设备），它包括研磨、清洗和烘干工序。

该组合CMP设备与单独的CMP设备相比，约减少50% 的粒子并节约30% 的去离子水。

由于Cu不仅在空气中容易氧化，而且不能形成自保护膜来阻止其进一步氧化和腐蚀。

因此当CMP工艺完成后，须立即为Cu 表面生长一层保护膜。

目前普遍采用在Cu表面淀积一层Si3N4 或选择性淀积一层W作为Cu 表面保护膜的方法。

5、铜互连中存在的问题及解决方案
现在所用的铜技术的继续发展至少面临着两大挑战：第一，随着铜导线宽度的减小，铜的电阻率相对于其体材料值显著上升，这是由表面和晶粒边界的电子散射增大所造成的；第二，更细的导线会导致更高的电流密度，从而使温度升高，出现电迁移问题的可能性也会变大。

解决问题的根本是找到比铜更好的替代材料。

考虑用Ag代替，它有更低的电阻率，但电迁移和应力迁移方面和黏附性集成兼容性方面还不如铜，有待提高。

也有用合金代替，但是合金带来的是更高的电阻率。

另外，碳纳米管（CNT）将在未来的片上互连制造中扮演重要的角色。

CNT具有许多独特的性能，包括负载超过109 A/cm2的高密度电流的能力，这比常规导线约高三个数量级；基于CNT的互连频率高达GHz；超高的热传导率，电子能够沿着碳纳米管进行弹道式输运；以及非常好的机械强度，而且还不会发生电迁移（EM）。

直径极小的CNT可能具有金属特性，也可能具有半导体特性，而我们用做互连线的大直径CNT总是表现出金属特性。

一般来讲，纳米管的能带宽度与直径成反比。

直径越大，能带宽度越窄。

因此对大直径的纳米管来说，其能带宽度几乎为零，也就意味着良好的导电性”。

然而，CNT的电阻比铜还是要高出好几倍，我们仍然需要做大量的工作来改善纳米管的纯度。

图为斯坦福大学的研究人员使用多层碳纳米管（MW-CNT）构成导线，使互连线传输频率首次达到千兆赫兹的传输性能。

6、铜互连工艺发展趋势
使用原子层沉积(ALD )技术沉积阻挡层和铜的无种籽层电镀是目前铜互连技术的研究热点。

在当前的铜互连工艺中,扩散阻挡层和铜种籽层都是通过PVD工艺制作。

但是当芯片的特征尺寸变为45nm或者更小时,扩散阻挡层和铜种籽层的等比例缩小将面临严重困难。

首先,种子层必须足够薄,这样才可以避免在高纵宽比结构上沉积铜时出现顶部外悬结
构,防止产生空洞;但是它又不能太薄。

其次,扩散层如果减薄到一定厚度,将失去对铜扩散的有效阻挡能力。

还有,相对于铜导线,阻挡层横截面积占整个导线横截面积的比例变得越来越大。

但实际上只有铜才是真正的导体。

例如,在65nm工艺时,铜导线的宽度和高度分别为90nm和150nm,两侧则分别为10nm。

这意味着横截面为13,500 nm2的导线中实际上只有8,400 nm2用于导电,效率仅为62.2%。

目前最有可能解决以上问题的方法是ALD和无种籽电镀。

使用ALD技术能够在高深宽比结构薄膜沉积时具有100%台阶覆盖率,对沉积薄膜成份和厚度具有出色的控制能力,能获得纯度很高质量很好的薄膜。

而且,有研究表明:与PVD阻挡层相比,ALD阻挡层可以降低导线电阻[7]。

因此ALD技术很有望会取代PVD技术用于沉积阻挡层。

不过ALD目前的缺点是硬件成本高,沉积速度慢,生产效率低。

此外,过渡金属-钌可以实现铜的无种籽电镀,在钌上电镀铜和普通的铜电镀工艺兼容。

钌的电阻率(~7 μΩ-cm),熔点(~2300℃),即使900℃下也不与铜发生互熔。

钌是贵金属,不容易被氧化,但即使被氧化了,生成的氧化钌也是导体。

由于钌对铜有一定的阻挡作用,在一定程度上起到阻挡层的作用,因此钌不仅有可能取代扩散阻挡层常用的Ta/TaN 两步工艺,而且还可能同时取代电镀种籽层,至少也可以达到减薄阻挡层厚度的目的。

况且,使用ALD技术沉积的钌薄膜具有更高的质量和更低的电阻率。

但无种籽层电镀同时也为铜电镀工艺带来新的挑战,钌和铜在结构上的差异,使得钌上电镀铜与铜电镀并不等同,在界面生长,沉积模式上还有许多待研究的问题。

结语：
铜互连是目前超大规模集成电路中的主流互连技术，而电镀铜是铜互连中的关键工艺之一。

有机添加剂是铜电镀工艺中的关键因素，各种有机添加剂相互协同作用但又彼此竞争，恰当的添加剂浓度能保证良好的电镀性能。

在45nm或更小特征尺寸技术代下，为得到低电阻率、无孔洞和缺陷的致密铜镀层，ALD和无种籽电镀被认为是目前最有可能的解决办法。

此外，研究开发性能更高的有机添加剂也是途径之一，而使用新的电镀方式（比如脉冲电镀）也可能提高铜镀层的质量。

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