用于0.13微米铜镶嵌互连工艺的新型化学材料

• 特殊填充
  

• 整平效果
  

• 测量性
  

• 结论
  

随着集成电路朝向深亚微米方向发展,原来铝连接线技术的缺点也越来越明显,今后的趋势将是用铜连线代替铝连线,因此也有人称IC工业将进入一个“新铜器时代”。目前在中国也有一些实验室开始在做这方面的研究,虽然还没有达到完全实用化,但也已取得了多项成果。下面介绍一种用于铜互连工艺的新型材料,从中可了解国外该项技术的一些发展情况。

据IBM和Motorola宣布,他们已将电镀铜用于超大规模集成电路(ULSI)制造中。目前的工艺材料尽管完全能用在0.25μm以下的IC上,但是它却有明显的缺陷:第一,随着制造商不断缩小产品的尺寸,它不能够完成无空隙填充；第二,它是一种专为PCB研制的复杂多成分材料。与PCB不同,IC要求在厚度均匀的整个晶圆镀层以及微小局部电流密度不均匀的区域(特殊填充区)能够同时传输差异很大的电流密度。另外制造时还必须从镀槽中去除不需要的化学成分,因为众所周知,这些有机添加剂会在基材上消耗掉并且混入到镀层中,此外减少添加剂用量还可提高测试性能。有资料指出,随着有机添加剂浓度升高,杂质含量和退火时间会相应增加,退火时间可通过测量电阻层下降率的变化而得到。

为满足生产需要,目前开发出一种称为CUBATH ViaForm的新型化学材料,它能够满足0.13μm性能指标并与后续的化学机械抛光(CMP)工艺兼容。ViaForm的添加成分很少,只有三种,既不会影响特殊填充性能也不影响所要求的电流密度特性。

CUBATH ViaForm化学材料由ViaForm准备部分以及加速剂、抑制剂和整平剂组成。

特殊填充

有机添加剂根据铜阴极化效果可分为两类,一类降低阴极化称为“加速剂”,另一类正相反,可增加阴极化称作“抑制剂”。器件的特殊填充是加速剂和抑制剂共同作用的结果。图1显示了特殊填充结构图,镀槽内的酸处理铜上含有ViaForm加速剂和抑制剂。一般认为特殊填充是抑制剂通过扩散-淀积而产生的,此时由于存在Cl^-离子而引起聚合物淀积,从而对活性部分产生抑制。研究证明,Cl^-离子对某些聚合物在衬底上淀积是必须的,但是抑制剂扩散-淀积不会完成特殊填充,因为抑制剂不易消耗,并且其工作时的浓度相当高,通常可达100-1000mg/l,而在适合进行特殊填充的器件上不可能做到足够大的浓度梯度。相反,由于Cl^-离子的浓度梯度可能会造成Cl^-淀积沿深度方向不同。Cl^-由于融入到淀积中而没有得到有效补充从而产生消耗,消耗量通常在PPM数量级。Cl^-短缺可能发生在很小的器件上,特别是生长的前沿部分,这也就解释了为什么特殊填充会沿着Cl^-浓度最大方向生长这一现象。

对于ViaForm材料来说,由于它的Cl^-浓度较低,会在表面形成不充分淀积,因此抑制剂的吸附作用就显得很弱,而过高的Cl^-浓度则会导致沿着沟槽/通孔方向形成厚重均匀的淀积。这两种情况下我们都希望能得到共形生长,事实上也的确如此。

淀积开始之后,没有混入淀积的加速剂开始在缩小的器件上积聚形成表面区域。这种加速剂的积聚抵消了表面活性剂的作用,使铜在器件内部快速生长。另外一种现象是自下而上的填充,包含上面所述由于卤素离子存在而产生的淀积。

整平效果

图2是ViaForm整平剂在微小局部的流动分布效果。从左图可见,在大的沟槽上进行酸洗时,铜淀积会在小型器件的顶端过度生长,这一现象可用于只有特殊填充的系统设计中。过度生长可以用特殊填充是加速剂在器件生长前沿积聚的结果来进行解释。器件填充完后的连续加速作用使得铜在部件发生过度生长,造成表面不平整,特别是器件比较密的区域。此时加入第三种添加剂ViaForm整平剂后即可抑制不平整,形成如右图所示的平整表面。有报告指出,平整的表面可以降低CMP之后的缺陷,另外平整的微小局部只需要做很少的重复电镀,从而为后续CMP工艺提供了一个易于进行处理的基底表面。

测量性

要想扩大亚微米无孔隙填充的工艺适应性通常要求将添加剂严格控制在一定的范围之内。由于填加剂随着使用和时间会不断消耗,因此开发一种计量方法以对其进行恒定控制十分重要。另外溶液中的无机成分也应进行监控,特别是卤素离子浓度。目前有机成分的浓度采用循环伏安分离法(CVS)进行测量,CVS是专为IC工业铜镶嵌技术的测量而设计的,它能将ViaForm三种有机添加剂用量表示出来,以便在今后随时重复应用。

结论

含有三种成份的CUBATH ViaForm化学材料是为新一代0.13μm工艺开发的,其设计充分考虑了特殊填充性能的需要和对后续CMP兼容性的要求。对于特殊填充而言,必须将ViaForm加速剂与抑制剂结合在一起,而采用ViaForm整平剂后可使镀层表面平整并减少缺陷,保持与CMP工艺的兼容性。除有机添加剂外,卤素离子在特殊填充工艺中也有很重要的作用。