作者：陈伟 Applied Materials China -- 半导体国际

      铜作为硅芯片的一种互连线材料给硅芯片制造带来了巨大的变化。与PVD铝工艺相比，铜互连线的电阻可以降低30%，而且伴随着电镀工艺的发展，它的空隙填充能力可以保持到65纳米节点。铜工艺的关键是芯片金属化的镶嵌铜电镀工艺的开发。 基于铜的互连线的实现，对于电化学产生了相当大的影响。 目前，几乎所有的芯片工厂都在亚0.13微米逻辑器件生产中使用铜工艺。在本文中，我们将介绍半导体后段生产中的铜电镀工艺。

　　铜布线工艺概述
　　铜工艺与铝工艺完全不同。一般来说，铝工艺是把铝薄膜淀积在整个晶片的表面,连线图案在金属刻蚀笮纬?最后填充隔绝用的介电材料。但对于铜工艺，形成图案采用镶嵌结构。通常来说，我们首先淀积介电材料，然后进行介电材料的干式刻蚀，接着我们在扩散层填充铜种子，最后采用铜电镀进行孔洞填充。

　　电镀工艺的说明
　　基于硫酸铜的电镀工艺曾经在电子工业中被用于印刷电路板通孔的电镀。相似的工艺可以用于填充微米和亚微米的镶嵌特征结构。镶嵌铜工艺使用一薄层铜种子，该层覆盖包括过孔和开放的沟道的整个晶片表面，并作为铜电镀的阴极。工艺的原理是：在电解溶液中，当直流电源加在晶片（被作为阴极）和铜阳极之间时，电流在电路中产生并在溶液中形成电场（图1）。然后，阳极的铜发生阳极反应转化成铜离子和电子, 同时 在阴极发生阴极反应,铜离子与电子结合形成镀在晶片表面的铜。

　　根据法拉第定律，淀积厚度 T=(S*M*I*t)/(n*F*P*A)
　　P=铜的密度=8.9g/cm3;　 A=晶片面积 ;M=铜的摩尔质量=63.54g/mol ; N＝摩尔当量; F=法拉第常数= 96500Cmol-1。 因此淀积率正比于直流电流和淀积时间。通常，电解液包含硫酸铜、硫酸、氯化铜以及一些有机添加剂（包括加速剂、抑制剂和平衡剂）。电镀的关键挑战是空隙填充能力和缺陷控制能力。一般来说，在大尺寸孔洞中，我们可以使用传统的无有机添加剂的电镀。但是如果困难的孔洞形状，我们需要选择使用适当的有机添加剂的“底部初始填充”方法。采用现代的电镀系统，你在45纳米节点以前都可以获得无气孔的真正的“底部初始填充”空隙填充。典型的硫酸铜电镀溶液包含少量的用于有机添加剂吸收的氯离子。 目前三种有机添加剂应用得较为广泛分别是加速剂，抑制剂以及平衡剂。加速剂是含巯基/ 硫醇基的可溶于水的有机酸盐，它们比其他组分更加扩散，因此它们更容易到达特征结构的底部，这样就促进了特征结构内部的淀积。抑制剂是氧化乙烯和聚氧化丙烯的共聚物，分子量2000-8000，它作为缓冲物在铜表面形成厚的单层膜，通过阻碍铜离子扩散来抑制铜淀积。平衡剂是含氮的高分子量聚合物。平衡剂的堆积能力在不同电场强度下不同, 当发生隆起或凹陷时，它将增强或抑制铜的淀积。 (图2 底部填充示意图)

　　通常在后段布线工艺，我们仍然需要边缘腐蚀清洗和旋转清洗干燥工艺来清除边缘和侧壁过度电镀的铜以及硅片前后侧残留的硫酸铜。在此之后，淀积后的晶片需要进行退火，使晶粒更加稳定和均匀, 这对于铜电镀和接下来的CMP工艺的整合是非常有帮助的。

　　总结
　　与传统的PVD SIP TaN/Ta或ALD阻挡层相结合，电镀工艺可以扩展到65纳米甚至45纳米节点。在技术继续发展的时候，工业界很幸运地已经有了应对未来挑战（例如32纳米节点）的思路。我们已经开发了无核淀积，该方法使用钌合金或ALD钌，而且不需要阻挡层和种子层，钌的厚度只有100埃，这将使得电镀方法拥有更优异的空隙填充能力。在电化学淀积方面，人们已经在研究新的化学物质来实现尽可能低铜电阻的更加完美的空隙填充。