电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响 - 图文

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

申请上海交通大学工程硕士学位论文

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

学校代码： 作者姓名： 学 号： 第一导师： 第二导师： 学科专业： 答辩日期：

上海交通大学微电子学院

2010年05 月

10248 黄涛

1082102058 汪辉 胡平

微电子工程

2010年05月12日

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University

for Master Degree of Engineering

REDUCE COPPER METAL LINE PITS DEFECT BY OPTIMIZE

EELECTRICITY COPPER PLATING PROCESS

University Code： Author： Student ID: Mentor 1 Mentor 2: Field：

Date of Oral Defense：

10248 Huang Tao 1082102058 Wang Hui Hu Ping

Micro-electronics Engineering 2010-05-12

School of Micro-electronics Shanghai Jiaotong University

May, 2010

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

上海交通大学 学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

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日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

摘 要

随着半导体器件尺寸的不断缩小，互连对芯片速度、可靠性、功耗等性能的影响越来越大。互连材料和工艺技术的改进成为集成电路技术进步的重要关键之一。后端互连技术，已经逐步从铝互连过渡到铜互连。在0.13μm及其以下的技术节点中，铜互连技术已经成为主流。在我们引入电镀铜工艺的同时我们也不得不面对电镀铜后的一些铜线工艺所特有的缺陷, 如铜线和低K值介电质可靠性问题，电镀铜后产生的孔洞缺陷等问题。

本文通过对金属层孔洞缺陷产生机制的一些研究分析，针对电镀铜工艺进行对比实验，优化其制备工艺。通过研究在电镀铜工艺中不同转速，不同退火温度的铜金属层的电阻率和内应力, 及电镀后到化学机械研磨之间等待时间，进行工艺参数的调整,找到了几种有效解决铜金属层后孔洞缺陷的方案。在本项研究工作中，根据实际生产应用降低成本，提高效益的需求，选取了低转速的电镀铜工艺和控制电镀后到化学机械研磨之间等待时间方案应用到实际生产工艺中。使产品的缺陷降低，成品率和可靠性得到了有效提升。

关键词：铜互连，电镀铜工艺，铜孔洞缺陷，退火，成品率

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

REDUCE COPPER METAL LINE PITS DEFECT BY OPTIMIZE EELECTRICITY COPPER PLATING

PROCESS

Abstract

With the down-scaling of the device, backend interconnection plays as a much more and more important role for the density, speed, power and reliability of the chip. The improvement of interconnect material and interconnect technology become a key point of the progress of semiconducting manufacture technology. After 0.13μm technology node, Cu line has replaces the Al line and become the mainstream technology. We have to suffer some Cu line issue when after we use Cu to replace AL. Such as the reliability with CU and low K dielectric, post CMP Cu line pits defect.

In this paper, by studing the mechanism of Cu metal line pits defect, and comparing the experiments result of ECP process, the whole ECP process is optimized. The metal line resistivity and stress under different rotation speeds and anneal temperature, and the different Q-time from ECP to CMP are studied, finally find out several kinds of optimized ECP process which can improve the defect with differnet best process parameters. Considering the cost and benifet during mass production, we selected the low rotation speed ECP process and control ECP to CMP Q-time as the final solutions to implement into the process, which can significantly reduce the defect and improve the yield and reliability for production.

Keywords: Copper interconnect technology, ECP, Copper pits, anneal, yield

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

目 录

1. 绪 论 ............................................. 1

1.1半导体互连工艺现状及趋势 ............................................................................................ 2

1.2 从铝互连到铜互连 ........................................................................................................... 3 1.3 铝互连与铜互连的不同工艺流程 ................................................................................... 5

2 电镀铜工艺 ......................................... 7

2.1电镀铜工艺基本概念 ........................................................................................................ 7

2.2 电镀铜工艺机理 ............................................................................................................... 7 2.3 化学添加剂对电镀工艺的影响 ....................................................................................... 9 2.4 铜金属的自退火效应 ..................................................................................................... 11

3.问题描述及实验目的 ................................ 12

3.1铜孔洞缺陷导致产品可靠性降低 .................................................................................. 12

3.1.1铜互连中的电迁移及可靠性 ...................................... 13 3.1.2 铜孔洞缺陷于电迁移的关系 ...................................... 14 3.1.3 铜孔洞缺陷产生的几种机理 ...................................... 16 3.2 实验目的 ......................................................................................................................... 17 3.3 实验材料和工具 ............................................................................................................. 17

3.3.1材料： ........................................................ 17 3.3.2设备和仪器： .................................................. 17 3.4 实验内容 ......................................................................................................................... 18

3.4.1.镀铜工艺不同的电镀时转速之间的对比实验 ........................ 18 3.4.2．电镀后到化学机械研磨CMP之间等待时间对比实验 ................. 19 3.4.3.电镀后退火温度,时间等参数的调整的对比实验 ..................... 19

4. 实验结果及分析讨论 ............................... 20

4.1不同的电镀时转速实验结果分析 .................................................................................. 20 4.2 电镀后到化学机械研磨之间等待时间实验结果分析 ................................................. 24 4.3电镀后退火温度,时间调整的对比实验结果分析 ........................................................ 24 4.4 工艺窗口选择确认 ......................................................................................................... 27

5 总结 .............................................. 27 参考文献 ............................................ 29 致 谢 ................................................ 1 攻读学位期间发表的学术论文目录 ....................... 2

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

1. 绪 论

在半导体制造业中，铝及其合金在很长的时期里被广泛采用，实现由大量晶体管及其他器件所组成的集成电路互连。但是，随着晶体管尺寸的不断缩小，原本应用了几十年的铝互连工艺，已经不能满足集成电路集成度、速度和可靠性持续提高的需求。随着器件尺寸的缩小，后端互连的尺寸也等比例的不断缩小，导致互连电阻不断升高，这势必需要寻求电阻率较低的金属。而铜相对于铝及铝的合金的电阻率较低。而且，传统的铝布线工艺制作的器件经常会因铝的电迁移而失效。虽然在铝中掺入一定比例的铜会对这个问题有显著改善，但是随着互连尺寸的进一步减小，电流密度的不断增加，电迁移问题将会越来越严重。因此在深亚微米工艺中 ( 0 .1 8μm及以下) ，铜逐步代替铝成为硅片上金属化布线的材料。铜与传统的铝及其合金相比在很多方面有着显著的优势。比如说铜的电阻率较之铝要低，甚至只有铝铜合金的一半左右（含0.5%铜的铝合金电阻率约为3.2μ?-cm, 而铜为1.678μ?-cm）。较低的电阻率可以减少后端互连的RC延时，也可以降低器件的功耗。铜的电迁移特性远好于铝。并且，镶嵌方式的铜互连后端工艺流程简化，成本降低。因为使用铜互连的芯片在各方面的性能有这么明显的优势，所以铜已经逐渐取代铝成为后端金属化的主要材料。

后端互连技术，已经逐步从铝互连过渡到铜互连。在0.13μm及其以下的技术节点中，铜互连技术已经成为主流。 在引入电镀铜工艺的同时我们也不得不面对电镀铜后的一些铜线工艺所特有的缺陷，如铜线和低K值介电质可靠性问题；电镀铜后产生的孔洞缺陷。作者在工作过程中，就遇到了电镀铜后产生的孔洞缺陷问题，结合300mm 铜互连工艺的实际内容，本文要讨论的，就是如何通过不同电镀铜工艺的对比，工艺参数的调整优化，来改善和减少电镀铜后孔洞缺陷，提升产品良率，改善产品可靠性。

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1.1半导体互连工艺现状及趋势

集成电路后端互连技术的主要功能是将密布于芯片各处的几十万上百万个半导体器件连接整合起来，以实现千变万化的集成电路的设计功能。后端互联技术对集成电路的主要影响在于响应速度以及可靠性。集成电路的设计尺寸、连线线宽，线高，都在在摩尔定律的驱使下不断缩小，之后，CMOS晶体管的运作速度将因信道长度的缩小而加快，但是多重互连的部份，则会因为RC时间延迟的效应，以约线宽每缩小0.7倍便延长RC延迟一倍的速度而趋缓。

图1.1-1所示显示了器件尺寸缩微对本征延时（Gate-Delay）以及互连延时带来的变化。我们可以看到，随着器件尺寸的缩小，本征延时不断下降，晶体管本身速度不断提高。但是后端互连延时却因为连线电阻增加（连线横截面不断缩小）和耦合电容的增大而快速增加，特别是当器件尺寸发展到0.25μm以后，互连延时快速增加，甚至超过了本征延时而开始主导器件的延时。我们可以看到，图中对比了三组使用不同材料的后端互连工艺的延时差异，分别是Al搭配SiO2、Cu搭配SiO2、以及Cu搭配低k值介电质。从图中可以看到，连线延时最长的，是Al搭配SiO2的连线工艺，Cu搭配SiO2次之，而Cu搭配低k值介电质的连线工艺的器件，延时最短，速度最快。由此可见，低阻值连线金属以及低k值介电质的应用，可以有效的缩短互连延时，提高器件的速度。因此，寻求适合半导体工艺的，更低阻值的连线金属材料以及更低介电常数的低k值介电质，成为后端连技术发展的主要任务之一。

图1.1-1 缩微对互连延时的影响

早在1985年IBM公司就已计划研发用铜替代铝作为芯片上的金属互连材料，但是直到1998年才在诺发公司（Novellus System）的帮助下把该技术应用在实际的集成电路制造工艺中。1999年苹果公司在400 MHz微处理器中采用了铜互连工艺，极大地提升了图形处理能力。2000年英特尔公司推出了采用了130nm铜互连技术的Tualatin奔腾III处理器。TI、Xilinx、三星、台积电、联电等公司也开始纷纷采用铜互连工

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

艺。目前在130nm、110nm的制造工艺中已经广泛应用了铜互连技术。铜互连材料已经成为110nm以下制造工艺的唯一选择。在最新的90nm制造工艺中，厂商广泛采用了七层或八层铜互连技术。根据最新报道，65nm制造工艺中的铜互连工艺和低K介电材料也已经被攻克，目前正向着45nm技术节点进发。

使用原子层沉积（ALD，AtomicLayerDeposition）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13，500nm2的导线中实际上只有8，400nm2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。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（~7μΩ－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。

铜互连工艺目前研发非常顺利。而且有专家认为，铜互连工艺开发的潜力还很大，至少在15nm技术节点之前还不需要下一代互连技术——光互连技术。 1.2 从铝互连到铜互连

后端互连延时对器件速度的影响可由以下RC公式直观地看出，在设计尺寸一定的前提下，降低ρ和εr是提高速度的关键。

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

?4L2L2?SPEED?1/RC while RC=2ρεrε0?2+2?T??P式中 r = 金属电阻 εr = 相对介电常数 ε0 = 自由空间介电常数 L = 导线长度 P = 互联线间距 T = 金属厚度

参考自: M. Bohr, Solid State Technology, 1996, p.105

在结构相同的情况下，可通过使用较低阻值的金属的方法达到更高的集成电路响应速度：

出于工艺整合的需要，业界对充当互连的金属的性能和工艺有以下一些具体的要求

? 低电阻率和低热膨胀系数 ? 不易氧化(化学活性低)

? 机械性能稳定(低应力，与介质的黏附性好) ? 高熔点

? 高的抗电迁移性能 ? 与周围的材料没有电活性

? 微观结构易于控制(均匀的大晶粒合光滑的表面) ? 易于在平整合高形态比的穿孔中淀积、高的淀积速率 ? 低污染

? 价格低廉

表1.2-1列出了一些常用导电材料的电阻率。集成电路中最常用的互连材料是铝，因为它的成本较低并且与标准的集成电路制造工艺相兼容。可惜的是与如铜这样的材料相比，铝的电阻率较大，电迁移特性相对较差。随着对材料性能的要求越来越高，最先进的工艺正在越来多地选择铜作为导体。

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

表1.2-1常用导体的性能比较 性质 电阻率（??-cm）20℃时 杨氏模量（?10－11dyn.cm） 热导率（W.cm） 电阻的温度系数?103（K） 热膨胀系数?10（℃） 熔点（℃） 热容（J.kg.K） 在空气中的稳定性 -1-16-1-1-1-2Cu 1.67 12.98 3.98 4.3 17 1085 386 差 Ag 1.59 8.27 4.25 4.1 19.1 962 234 差 Au 2.35 7.85 3.15 4 14.2 1064 132 很好 Al 2.66 7.06 2.38 4.3 23.5 660 917 好 W 5.65 41.1 1.74 4.8 4.5 3387 138 差 集成电路中传统使用的金属布线为铝，具有成本低、技术成熟，粘附力强、易刻蚀、与P型及N型半导体易形成好的欧姆接触等优点：但电阻率相对较高，易于发生电迁徙，易和Si共溶；在300 C左右的工艺温度下铝薄膜上会形成锭，穿透相邻互连线之间的电介质绝缘层造成短路．到了0.18 μm以下工艺，铝的电阻率及抗电迁移能力已经逐渐不能满足工艺性能要求。

从表1.2-1中可以看出，铜是很好的集成电路互连金属的候选者，它的电阻率比铝低35％，比铝合金低近50%，抗电迁移能力比铝高2个数量级。另外铜的应力特性也远好于铝。使用铜互连可以减小芯片上互连线的电阻，或者在保持电阻不变的情况下减小互连金属的厚度来降低同一层内互连线间的耦合电容，从而降低耦合噪声和互连线的信号延迟。在保持同样的R（时间延迟下，可以减少命属布线的层数，而且芯片面积可缩小20~30％。若配合上低介电常数材料（低k层电介质。如SiOC, SiF等），铜互连会使寄生电容降低，IC速度提高，其性能和可靠性均获得提高。

1.3 铝互连与铜互连的不同工艺流程

后端铜互连工艺相对于铝互连工艺，还有简化工艺流程，降低成本的优点。传统的铝互连工艺，是先生长金属层，后覆盖介电层的方式。对于中间层金属层，较为标准的流程是：

? 生长一层介电层，用一次光罩和一次刻蚀工艺，打开通孔

? 生长一层阻挡层以及钨金属层，通过化学机械研磨，去除表面部分，留下

钨通孔部分

? 再生长铝金属层（包括底部的粘合层和顶部的放反射层一次完成），再用一

次光罩和一次刻蚀工艺，定义出铝线的布线 ? 再生长一层介电层，并再次用化学机械研磨做平坦化

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

? 而铜互连工艺与铝互连工艺正好相反，是先制作介电层后并在其上定义通

孔及沟槽位置，后使用金属镶嵌的工艺流程。一般流程是：

? 生长一层介电层（包括其中的刻蚀停止层），通过两次光罩和刻蚀工艺，定

义出通孔和沟槽(即金属布线)

? 生长扩散阻挡层，铜种子层(一次完成)及电镀铜完成金属布线部分，一次

同时填入通孔及沟槽

? 用铜化学机械研磨做平坦化，去除通孔及沟槽以外的金属部分 ? 再生长下一层介电层

图1.3-1 铝互连工艺流程和铜互连工艺流程的对比

由上述对比可见，铜工艺相对于铝工艺：

(1) 使金属层制造工艺从原先的三步（阻挡层，钨金属层，铝金属层）减少到两

步（扩散阻挡层，铜电镀）

(2) 使化学机械研磨工艺从两次（一次钨研磨，一次介电层研磨）减少到一次（铜

研磨）

(3) 介电层工艺要求降低。铝互连工艺对铝线后续的介电层生长，因为有 较高

的填孔（沟槽）能力要求而需要使用较复杂的HDP CVD（高浓度等离子体化学气相沉积）工艺，但是铜互连流程中，对后续的介电层生长，因为是在化学机械研磨的平坦化之后，对填孔（沟槽）能力无特殊要求，可以使用普通的PECVD(等离子体增强式化学气相沉积)。

由上述对比可见，与传统的铝互连工艺比较，铜互连工艺具有减少工艺步骤20%~30%的潜力，而且，铜镶嵌工艺，不仅有较少的制造步骤，而且排除了传统铝互连金属化中最难的步骤，包括铝刻蚀，HDPCVD工艺，和许多钨与介电层的化学机械研磨步骤。在硅片制造业中，减少工艺步骤，降低工艺难度，不仅仅是直接减少了芯片生产成本，6

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

而且较少和较简单的工艺步骤，也可以降低生产过程中的装配产量的错误源。这对芯片的大规模生产也是有非常大的益处的。

2 电镀铜工艺

2.1电镀铜工艺基本概念

电镀铜层因其具有良好的导电性、导热性和机械延展性等优点而被广泛应用于电子信息产品领域，电镀铜技术也因此渗透到了整个电子材料制造领域，从印制电路板（PCB）制造到 IC 封装，再到大规模集成线路（芯片）的铜互连技术等电子领域都离不开它，因此电镀铜技术已成为现代微电子制造中必不可少的关键电镀技术之一。

集成电路铜电镀工艺通常采用硫酸盐体系的电镀液，镀液由硫酸铜、硫酸和水组成，呈淡蓝色。当电源加在铜（阳极）和硅片（阴极）之间时，溶液中产生电流并形成电场。阳极的铜发生反应转化成铜离子和电子，同时阴极也发生反应，阴极附近的铜离子与电子结合形成镀在硅片表面的铜，铜离子在外加电场的作用下，由阳极向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度损耗。电镀的主要目的是在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。

业界300mm生产线基本采用诺发（Novellus）公司的Sabre Next来生长金属电镀铜。有四个重要的电镀铜工艺指标：填孔能力；铜金属层厚度的均匀性；铜金属的稳定性；铜金属层缺陷。 2.2 电镀铜工艺机理

电镀铜原理是法拉第电解定律：电解时，在电极上析出或溶解的物质质量与通过电极的电量成正比。如图所示，在阳极铜块上铜原子失去电子变成铜离子，相反在阴极晶片上，铜离子得到电子变成铜原子。由法拉第电解定律我们可以推导出电镀铜厚度于电镀时电量的关系：

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

图2.1-1 晶片接触园环意图

pi?d2m??V??Ax??x4x?5.379046838ItMI?tm?nF

其中 M表示铜原子摩尔质量， m表示物质质量， n摩尔当量

F表示法拉第常量 I 电镀时电流大小 t电镀时间 ρ铜原子密度 A晶片表面积 x电镀铜厚度 d 晶原直径 pi 圆周率

由公式3 得知电镀铜厚度于电镀时电流大小和电镀时间成正比关系，为了得到所需厚度的电镀铜，采用高电流可以节省电镀时间，但是电镀铜工艺的填洞能力一般是先随着电流密度的增加而增加，但到了一定的电流密度范围，填洞能力反而随着电流密度的增加而减低。如图所示。 综合考量生产成本和工艺需求，我们一般选用三步电

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

镀法，即电流由小到大三个电镀过程。 第一步采用4.5安培的电流，第二步采用6.75安培电流，第三步采用40.5安培电流。填洞过程在第一步和第二步已经全部完成。

2.3 化学添加剂对电镀工艺的影响

由于铜电镀要求在厚度均匀的整个硅片镀层以及电流密度不均匀的微小局部区域（超填充区）能够同时传输差异很大的电流密度，再加上集成电路特征尺寸不断缩小，和沟槽深宽比增大，沟槽的填充效果和镀层质量很大程度上取决于电镀液的化学性能，有机添加剂是改善电镀液性能非常关键的因素，填充性能与添加剂的成份和浓度密切相关，关于添加剂的研究一直是电镀铜工艺的重点之一.目前业界使用的有机化学添加剂主要有三种：加速剂（Accelerator），抑制剂(Suppressor)和平增剂(Leveler)。

加速剂主要的作用是加速电镀时铜能很快的从洞的底部生长上来，从而防止上部已经封口但内部的铜并没有生长好所产生的空洞缺陷。其主要成分是含有硫或及其官能团的有机物，例如聚二硫二丙烷磺酸钠（SPS），或3-巯基丙烷磺酸（MPSA）。加速剂分子量较小，一般吸附在铜表面和沟槽底部，降低电镀反应的电化学电位和阴极极化，从而使该部位沉积速率加快，实现沟槽的超填充。

抑制剂的作用相反它作用在空洞的边缘抑制铜的生长，从而防止底部的铜还没有生长好，空洞已经封口。其主要成分包括聚乙二醇（PEG）、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物，一般是长链聚合物。抑制剂的平均相对分子质量一般大于1000，有效性与相对分子

9 质量有关，扩散系数低，溶解度较小，抑制剂的含量通常远大于加速剂和平坦剂。

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

抑制剂一般大量吸附在沟槽的开口处，抑制这部分的铜沉积，防止出现空洞。在和氯离子的共同作用下，抑制剂通过扩散-淀积在阴极表面上形成一层连续抑制电流的单层膜，通过阻碍铜离子扩散来抑制铜的继续沉积。

平整剂中一般含有氮原子，通常是含氮的高分子聚合物，粘度较大，因此会依赖质量运输，这样在深而窄的孔内与加速剂、抑制剂的吸附竞争中没有优势，但在平坦和突出的表面，质量传输更有效。沟槽填充完成后，加速剂并不停止工作，继续促进铜的沉积，但吸附了平坦剂的地方电流会受到明显抑制，可以抑制铜过度的沉积。平坦剂通过在较密的细线条上方抑制铜的过度沉积从而获得较好的平坦化效果，保证了较小尺寸的图形不会被提前填满，有效地降低了镀层表面起伏。

在电镀过程中还有其它添加剂，如氯离子的存在，可以增强铜表面抑制剂的吸附作用，这样抑制剂在界面处的浓度就不依赖于它们的质量传输速率和向表面扩散的速率；氢离子可以控制整个电镀槽的导电率。

在铜电镀过程中，对填充过程产生影响的主要是加速剂、抑制剂和氯离子，填充过程完成后对镀层表面粗糙度产生影响的主要是平整剂。 铜电镀是有机添加剂共同作用的结果，它们之间彼此竞争又相互关联。 为实现无空洞和无缺陷电镀，除了改进添加剂的单个性能外，还需要确定几种添加剂同时存在时各添加剂浓度的恰当值，使三者之间互相平衡，才能达到良好的综合性能，得到低电阻率、结构致密和表面粗糙度小的铜镀层。如图2.1-3所示就是整个电镀过程中不同化学添加剂的作用。 晶片进入电镀液前，各种添加剂还没有吸附在铜种子层上，当晶片进入到电镀液时，各种添加液会根据电镀需求和各自特性分布在不同区域，如加速剂是小分子量分子在洞的底部会分布较多，这样可以使铜更快的从底部生出来。Cl-结合抑制剂主要分布在洞口区域，这样可以防止洞口过早封口，当填洞结束后，由于在洞口区域还有加速剂的存在，如果没有平整剂的存在，洞口区域最后会形成一个突起，如果有平整剂存在，会抑制洞口区域的加速效果，从而得到平整的电镀金属层。

= Accelerators= Suppressorsc = Chloride ion

LLcLc c ct = 1 sect = 0 seccc

cc

Additives adsorbed on Cu seed, Wafer immersed in plating bath. Additives not yet adsorbed on Cu seed.little plating has occurred.

LLcLccLcLccc c t = 10 sec t = 20 sec Rapid growth near base occurs as Fill is complete, Cu over feature accelerators accumulate due to has an adsorbed excess of decrease of surface area inside feature.accelerating mercaptospecies.t = 60 secL = Levelers LccLccccct = 3 secLcLConformal plating started in feature; accelerating species accumulate near base.LcLcLcDeposition following fill withlevelers or accelerator desorption. ccDeposition following fill withoutlevelers or accelerator desorption.10

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

图2.1-3 电镀过程中不同化学添加剂的作用

2.4 铜金属的自退火效应

电镀后生成的铜原子的晶粒比较小，能量比较高，随着时间的增长晶粒之间互相吞并，进行能量转移，最终长大成为较大晶粒。这个过程我们称之为铜金属得自退火。从图中我们可以看到铜金属自退火过程铜原子晶粒的生长。铜金属自退火过程一般会持续200个小时，当然其它电镀时条件的改变会改变自退火的时间，如电镀铜中有机添加液浓度的增加会延长自退火的时间。

图2.1-3 电镀过程中不同化学添加剂的作用

在实际生产中，我们希望得到大晶粒，低阻值，铜原子大小均匀的铜金属。所以要加速铜原子的自退火速度，于是电镀后退火工艺被引入到电镀工艺当中。一般采用200度的温度，90秒的退火时间可以得跟自退火200小时相同阻值的铜金属。

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

3.问题描述及实验目的

3.1铜孔洞缺陷导致产品可靠性降低

作者在工作过程中，就遇到了由铜金属层孔洞缺陷造成产品上电迁移失效的实例。如图3.1-1中所示是在化学机械研磨后发生的铜金属层上的空洞的实例。

图1 电迁移测试失效实例

对这片失效晶片进行失效分析出，看到在第一层铜金属层上有孔洞缺陷的存在。当电流流动到有孔洞的地方，电阻突然增大，会造成更大的孔洞缺陷，严重时会导致电流中断，从而导致电迁移测试失败。

e e 12

电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

11 12 13 14 15 缺陷检测 缺陷检测 薄膜特性测量 薄膜特性测量 薄膜特性测量 SP1 SemVision RS100 F5X Metaplus KLA-Tencor AMAT KLA-Tencor Nano matrics Nano matrics 3.4 实验内容

电镀时转速的改变可以影响到进入到电镀铜中的化学添加剂的含量，从而影响到孔洞缺陷的数量。我们设计进行不同转速与孔洞缺陷的关系的实验来研究两者的关系。电镀铜有自退火的特性，即长时间的等待会使晶粒慢慢张大，互相吞并，进行二次再结晶从而导致孔洞缺陷的产生。通过对电镀后到化学机械研磨CMP之间等待时间的优化来减少电镀后孔洞缺陷的数量是我们设计实验的一个条件。通过对不同等待时间条件下孔洞缺陷的数量进行分析，从而找到合适的电镀后到化学机械研磨CMP之间等待时间。同时还设计一个实验条件，即对电镀后退火温度,时间等参数进行调整，分析不同条件下孔洞缺陷的数量，同时对产品上固定图案区域的孔洞缺陷进行比较分析。结合产品工艺整合的需求选择合适的退火温度和退火时间。

我们通过多组对比实验来寻求优化工艺方案。希望通过对电镀铜转速的优化来减少电镀后孔洞缺陷的数量，同时研究电镀铜金属层性质的改变；通过对电镀后到化学机械研磨CMP之间等待时间的优化来减少电镀后孔洞缺陷的数量；我们还希望通过对电镀后退火温度,时间等参数的调整来减少电镀后孔洞缺陷的数量。

3.4.1.镀铜工艺不同的电镀时转速之间的对比实验

首先用CVD技术生长一层厚度为8000A的PEOX作为基底层。而后，采用SIP(self ionized plasma) PVD 技术在300mm的晶圆上生长一层厚度为200A的TaN/Ta阻挡层（Barrier layer）和900A铜种子层（Seed layer）。最后，用ECP（Novellus Sabre）机台生长厚度为7000A的铜薄膜，再经过原位热处理后（200C），得到我们的样品。在ECP过程中的，调整旋转速度从12rpm到90rpm变化，以研究不同旋转速度对晶圆电阻率、应力以及缺陷（Defect）的影响。用Hitach 4探针测量仪测量铜薄膜的电阻率，用Nanospec6100 测量薄膜的内应力。化学机械研磨后用KLA扫描镜面表面的缺陷，SEM version观测表面缺陷的形态。

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

样品 1 2 3 4

电镀转速(RPM) 2A 5A 10A 15A 表3.4-1 工艺参数调整对比实验条件(表格中各项数据已作归一处理)

3.4.2．电镀后到化学机械研磨CMP之间等待时间对比实验

首先用CVD技术生长一层厚度为8000A的PEOX作为基底层。而后，采用SIP(self ionized plasma) PVD 技术在300mm的晶圆上生长一层厚度为200A的TaN/Ta阻挡层（Barrier layer）和900A铜种子层（Seed layer）。最后，用ECP（Novellus Sabre）机台生长厚度为7000A的铜薄膜，再经过原位热处理（200C），得到我们的样品。。用Hitach 4探针测量仪测量铜薄膜的电阻率，用Nanospec6100 测量薄膜的内应力。化学机械研磨后用KLA扫描镜面表面的缺陷，SEM version观测表面缺陷的形态。

样品 等待时间(小时) 5 1B 6 2B 7 3B 8 4B 表3.4-2 工艺参数调整对比实验条件(表格中各项数据已作归一处理)

3.4.3.电镀后退火温度,时间等参数的调整的对比实验

本实首先用CVD技术生长一层厚度为8000A的PEOX作为基底层。而后，采用SIP(self ionized plasma) PVD 技术在300mm的晶圆上生长一层厚度为200A的TaN/Ta阻挡层（Barrier layer）和900A铜种子层（Seed layer）。最后，用ECP（Novellus Sabre）机台生长厚度为7000A的铜薄膜，再经过不同的原位热处理，得到我们的样品。。用Hitach 4探针测量仪测量铜薄膜的电阻率，用Nanospec6100 测量薄膜的内应力。化学机械研磨后用KLA扫描镜面表面的缺陷，SEM version观测表面缺陷的形态。

样品 9 退火温度 15C 3D 9D 3D 9D 19

退火时间 10 15C 11 20C 12 20C

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13 20C 14 25C 15 25C 16 25C 18D 3D 9D 18D 表3.4-3工艺参数调整对比实验条件(表格中各项数据已作归一处理)

4. 实验结果及分析讨论

4.1不同的电镀时转速实验结果分析

第一组对比实验，结果见表4.1-1中的对照结果。这是使用不同的电镀时转速于孔洞缺陷的关系。我们可以看到低的转速对减少孔洞缺陷有非常明显的作用。

表4.1-1 两种不同薄膜生长设备得到的样品对比结果

错误!

样品 1 2 3 4

孔洞缺陷个数 0 30 55 220 如图4.1-2所示，图4(c)是采用低转速电镀CMP后KLA扫描的结果。从图上可以看出，defect的总数大大减少，另外，SEM扫描后没有发现pits defect(图4(d))。

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(4) (4-1) (1) (1-1)

图4.1-2 铝焊接点边缘铜扩散处的EDX分析

我们知道，有机杂质会在晶界上对晶界的移动起钉扎的作用。在高转速的情况下，有较多的有机杂质进入晶格，限制了晶粒的生长，使得热处理前，高转速的电镀的晶粒较低转速的小。在后续的热处理(anneal)过程中,如图5所示晶粒会慢慢张大，互相吞并，进行二次再结晶，最终长大成为较大晶粒。而在晶粒长大、相互吞并的阶段，晶格的总体积减少，从而会在某些区域会有空位（Void）的产生。初始晶粒越小，生长成大晶粒时，产生的空位就会越多。在高温下，内应力会推动空位在晶界聚集，最终形成我们看到如图4(a)的pits defect。而在低转速的条件下，晶界上杂质较少，对晶界的钉扎作用也较少，晶粒较大，在后续的热处理过程中，晶格总体积变化小，留下的空位较少，从而降低了pits defect的产生。

我们在研究不同转速对孔洞缺陷的影响的同时，也研究了转速与电导率和宏观应力的关系.电阻率是半导体互联材料的重要特性。图1给出了转速对电阻率的影响关系。从图上可以看出，随着RPM的增大，铜薄膜的Rs呈增大的趋势。在RPM为12时，Cu薄膜的电阻率最小，为21.895mohm/cm2. 另外，从图1还可以看出，所有薄膜的uniformity在1.5%以下，反映出整个晶圆铜薄膜具有很好的Rs均一性。

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Rs(mohm/cm2)2322.52221.5211230RsRs UN!.510.506090RPM(r/m)图4.1-2 铝焊接点边缘铜扩散处的EDX分析

对半导体工艺来说，内应力对其对集成器件的可靠性（reliability）尤其对SM（stress migrate）有着重大的影响[3]。金属层内应力的产生主要是因为，金属Cu与基底材料SiO2之间有着不同的热膨胀系数，在ECP后的热处理过程中，由于不同的热膨胀系数导致了金属与基底之间不同的热膨胀率，最终导致了应力的产生[4]。一般来说，应力的大小与热处理温度有着密切的关系。在本研究中，为了消除不同的热处理温度对薄膜内应力的影响，采用的是同一温度的热处理工艺。从图2中可以看出，随着RPM的增大，薄膜的内应力呈增大的趋势。当RPM小于30r/m时，应力在340Mpa左右，而但大于60r/m时，则应力在390Mpa左右。

400380360340320300123060RPM(r/m)90Stress(Mpa)

图4.1-2 铝焊接点边缘铜扩散处的EDX分析

由上可见，ECP过程中电镀转速对铜薄膜的Rs和Stress都有重大的影响。究其原因，是因为ECP制程是电化学镀铜的过程。我们知道，在电化学镀铜的中，一般需要一个阴极和一个阳极，当电源加在铜（阳极）和硅片（阴极）之间时，溶液中产生电流并形成电场。阴阳两极将发生公式（1）(2)所示的反应,阳极的铜失电子，转化成铜离子而溶于溶液，阴极附近的铜离子得电子形成镀在硅片表面的铜。一般为了获得良好的填覆效果，需要在溶液中加入一定的有机添加剂（additive）,包括加速剂(accelerator)、抑制剂(suppressor)已经平整剂(leveler)等。

阳极：Cu-2e?Cu2+ 公式(1)

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

值介电质可靠性问题；化学机械研磨后铜的腐蚀以及电镀铜后产生的孔洞缺陷。其中电镀铜后孔洞缺陷是本文研究的重点。

常见的关于电镀铜后产生的孔洞缺陷的探讨，多见于探讨调整铜金属种子层的厚度；电镀铜工艺前清洗以去除污染物；电镀时转速的控制以及电镀时化学添加剂的改进等方法来达到减少铜金属层孔洞缺陷的数量。虽然这些方法对铜金属层孔洞缺陷的控制有一定的效果，但是还不能完全适用于大规模制造工艺。在此，本文试图结合300mm生产实际，寻求一种优化的电镀铜制备方式，既可以有效减少铜金属层孔洞缺陷发生，而且又是成本较低，可以适用于大规模的生产的工艺方式。

本文中，通过对比电镀铜工艺中不同的转速对孔洞缺陷的影响，通过调整工艺参数，可以有效控制孔洞缺陷的数量；通过对电镀后到化学机械研磨之间等待时间实验结果对照分析，结合实际生产需求，适当减少电镀后到化学机械研磨之间等待时间也可以有效控制孔洞缺陷的数量；根据对不同的退火的温度和退火时间的对比实验的结果，我们选择合适的退火条件即可以有效控制铜金属层后孔洞缺陷又不会对铜金属层的电导率和内应力造成大的影响。

结合生产实际，本文中找到了3种可以有效控制铜金属孔洞缺陷的数量的解决方法。基于大规模批量生产对工艺高性能与低成本必须兼顾的要求，我们最终选择了一种技术与成本兼顾的优化方案，有效地解决了生产中遇到的实际问题，提升了产品的成品率和可靠性。目前该方案已经被应用到300mm铜互连的生产线中，非常有效地控制了产品铜金属层后孔洞缺陷的数量，显著提高了产品的良率和可靠性，也提高了客户满意度。

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参考文献

[1] K. Radhakrishnan et. Reactive sputter deposition and characterization of Tatalum nitride thin films.[J] www.icmaster.com，1999-03-12

[2] Y.X. Leng et. Biomedical properties of Tatalum nitride films synthesized by reactive magnetron sputtering. [J] www.icmaster.com 2001-05-26

[3] Thomas Waechtler et. Characterization of Sputtered Ta and TaN Films by Spectroscopic Ellipsometry. [J] www.eem.com 2000-07-01

[4] Wen-Horng Lee et. Characterization of Tantalum nitride films deposited by reactive sputtering of Ta in N2-Ar gas mixtures. [J] www.eem.com 2000-11-12

[5] D. Edelstein, J. Heidenreich, R. Goldblatt, W. Cote,C. Uzoh, N. Lustig, P. Roper, T. McDevitt, W. Motsiff,A. Simon, J. Dukovic, R. Wachnik, H. Rathore, R. Schulz,L. Su, S. Luce, and J. Slattery, “Full Copper Wiring in a Sub-0.25 pm CMOS ULSI Technology,” Technical Digest, IEEE International Electron Devices Meeting, 1997, p. 773-776

[6] P. C. Andricacos, C. Uzoh, J. O. Dukovic, J. Horkans,H. Deligianni, Damascene Copper electroplating for chip interconnections, IBM J.Res. Dev. ，1998，567-570

[7] G. B. Alers, X. Lu , J. H.Sukmato, S. K. Kailasam, J. Reid; G. Horm, Influence of copper purity on microstructure and electromigration, IEEE international interconnect technology conference, 2004, p. 45-47

[8] G.B. Alers, J. Sukamto, P. Woytowitz, X. Lu, S. Kailasam, J. Reid, “Stress migration and the mechanical properties of copper” Proc. Int’l Reliability Physics Symp. 2005, p.36-38

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

[9] Gandikota, S. Padhi, D. Ramanathan, S. McGuirk, C. Emami, R. Parikh, S. Dixit, G. Cheung, R. Influence of plating parameters on reliability of copper metallization, Interconnect Technology Conference, 2002, p. 197- 199

[10] Ogawa, E.T. McPherson, J.W. Rosal, J.A. Dickerson, K.J. Chiu, T.-C. Tsung, L.Y. Jain, M.K. Bonifield, T.D. Ondrusek, J.C. McKee, W.R. Stress-induced voiding under vias connected to wide Cu metal leads, Reliability Physics Symposium Proceedings, 2002. p. 312- 321 [11] 李彬,符云飞 E. 电镀时旋转速度改善与电镀铜性能研究, 半导体制造, 20

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致 谢

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电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响

攻读学位期间发表的学术论文目录

上海交通大学黄涛的《电镀工艺优化对铜金属层后孔洞缺陷的影响》一文，已被由SEMI出版的《半导体制造》杂志录用，拟定于2010年05月刊予以发表

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nr5x.html