铜互连技术

2008-2-18第1页铜互连技术周江涛、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DBAP(diffuSionbarrierandadheSionpromoter),简称为阻挡层(barrier),阻挡层可为氮化硅（Si3N4）、氮化钛(TiN)、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2008-2-18第2页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2008-2-18第3页增加而减小。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At1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AT1时，得到NN0，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2008-2-18第4页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。2008-2-18第5页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CVD淀积W解决通孔的填充问题，然