1 實(shí)驗(yàn)
    采用200 mm p型(100)Si片，首先在Si片上PECVD(concept one 200 mm dielectric system，Novellus)淀積800 nm SiO2介質(zhì)層。接著用PVD(Invoa 200，Novellus)濺射25 nm的TaN／Ta擴(kuò)散阻擋層，然后用PVD濺射50 nm的Cu籽晶層。在電解槽中，陽(yáng)極為高純度的Cu棒，外面包裹一層過(guò)濾膜，其作用是電鍍時(shí)阻止固態(tài)不溶性雜質(zhì)顆粒進(jìn)入Cu鍍層，影響鍍層性能。將經(jīng)PVD濺射好Cu籽晶層的200 mm Si片切片后的小矩形片作為陰極(5 cm×2 cm)。電解槽底部靠近陰極處有一個(gè)磁力攪拌子，電鍍時(shí)置于電解槽下面的磁力攪拌儀產(chǎn)生磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)攪拌子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為400r／min，這可以使電鍍過(guò)程中陰極附近電解液中的Cu離子濃度保持正常，降低濃差極化和提高陰極電流密度，加快沉積速度。
    電鍍液成分為Cu2+17．5 g／L，H2S04 175 g／L，Cl一50 mg／L，加速劑2 mL／L，抑制劑8 mL／L和平整劑1．5 mL／L(添加劑均來(lái)自美國(guó)Enthone公司)。Cl一能提高鍍層光亮度和平整性，降低鍍層的內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)抑制劑的吸附。加速劑通常是含S或其他官能團(tuán)的有機(jī)物，包括硫脲及其衍生物，它的作用是促進(jìn)Cu的成核，使各晶面生長(zhǎng)速度趨于均勻。抑制劑包括聚乙二醇(PEG)、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物等，它的作用是和Cl一一起在陰極表面上形成一層連續(xù)膜以阻止Cu的沉積。平整劑通常是雜環(huán)化合物，一般含有N原子，它的作用是降低鍍層表面粗糙度。
    對(duì)于脈沖電鍍，考慮到鍍層與電解液界面間存在電位差，會(huì)在鍍層表面形成一個(gè)雙電層，其作用等效于一個(gè)電容，脈沖頻率如果太大，雙電層電容在脈寬和脈間內(nèi)來(lái)不及充放電，此時(shí)的脈沖電流將接近于直流電流。但如果脈沖頻率太小，電流效率就會(huì)變得很低，因此脈寬和脈間的時(shí)間一般都選在毫秒級(jí)。根據(jù)文獻(xiàn)的研究結(jié)果，固定ton=8ms，toff=2ms，研究不同平均電流密度的影響。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)設(shè)置不同的電流密度以及相對(duì)應(yīng)的電鍍時(shí)間，將Cu鍍層厚度都較嚴(yán)格地控制在1μm。實(shí)驗(yàn)中使用方波脈沖，測(cè)量的Cu鍍層薄膜參數(shù)包括電阻率、XRD、SEM和AFM。

2 結(jié)果和討論
2．1 電阻率測(cè)量結(jié)果
    圖1是電沉積Cu層電阻率與電流密度之間的關(guān)系?？梢?jiàn)，脈沖電鍍得到的Cu鍍層電阻率小于相同電流密度下的直流鍍層。在小電流密度時(shí)(<2 A／dm2)，直流鍍層和脈沖鍍層的電阻率都較大。

2．2 XRD測(cè)量結(jié)果
    在XRD測(cè)量中，以晶面(hkl)的織構(gòu)系數(shù)TC(texture coefficient)來(lái)表征晶面擇優(yōu)程度。

   
式中：I(hkl)、I0(hkl)分別表示沉積層試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣(hkl)晶面的衍射線強(qiáng)度；n為衍射峰個(gè)數(shù)。當(dāng)各衍射面的TC值相同時(shí)，晶面取向是無(wú)序的，如果某個(gè)(hkl)面的TC值大于平均值，則該晶面為擇優(yōu)取向。晶面的TC值越大，其擇優(yōu)程度越高。
    圖2中(a)和(b)分別為直流鍍層和脈沖鍍層織構(gòu)系數(shù)與電流密度的關(guān)系。(111)晶面抗電遷移的能力是(200)晶面的4倍，因此(111)晶面更有利于互連。兩張圖的變化趨勢(shì)類(lèi)似，主要晶面都是(111)和(200)，但直流鍍層中(111)的擇優(yōu)程度較脈沖鍍層稍好。通過(guò)對(duì)Cu種籽層進(jìn)行XRD后發(fā)現(xiàn)，籽晶Cu中(200)晶面呈現(xiàn)絕對(duì)擇優(yōu)。因此，XRD的結(jié)果表明，直流電鍍的晶面抗電遷移的能力要優(yōu)于脈沖電鍍。由于1 μm的Cu電鍍層太薄，鍍層受到較強(qiáng)基體效應(yīng)的影響，電沉積條件對(duì)晶面的影響很小，因此籽晶層的晶面在很大程度上決定了鍍層的晶面情況。有文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)Cu鍍層超過(guò)4 μm后，就基本不受基體外延的影響，而主要由電沉積條件決定，形成絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的擇優(yōu)晶面取向。

2．3 AFM測(cè)量結(jié)果
    圖3為脈沖電鍍與直流電鍍電沉積Cu鍍層表面粗糙度RMS(root mean square)與電流密度的關(guān)系?？梢?jiàn)脈沖所得鍍層表面粗糙度僅為幾個(gè)納米，而直流所得鍍層表面粗糙度在10 nm以上，最大時(shí)甚至達(dá)到了40 nm，這樣大的粗糙度將為后續(xù)CMP工藝造成極大的困難。而平整的表面可以為CMP工藝提供一個(gè)易于進(jìn)行處理的基底表面，采用脈沖電鍍Cu鍍層的表面粗糙度RMS比直流電鍍的低。

2．4 SEM測(cè)量結(jié)果
    圖4為脈沖電鍍與直流電鍍電沉積Cu鍍層的SEM照片。由于有機(jī)添加劑將極大地影響Cu晶粒的生長(zhǎng)過(guò)程，為了單獨(dú)考察電沉積條件對(duì)晶粒生長(zhǎng)的影響，SEM測(cè)量的是在沒(méi)有三種添加劑情況下得到的鍍層。可見(jiàn)在相同的電流密度下，脈沖所得鍍層的表面晶粒密度遠(yuǎn)大于直流。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的差別，原因在于脈沖關(guān)斷時(shí)間雖然對(duì)電鍍效率沒(méi)有貢獻(xiàn)，但它并不是一個(gè)“死時(shí)間”。在關(guān)斷周期內(nèi)可能發(fā)生一些對(duì)電結(jié)晶過(guò)程很有影響的現(xiàn)象，如重結(jié)晶、吸脫附等。在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，晶粒會(huì)長(zhǎng)大，這是由于晶粒在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)發(fā)生了重結(jié)晶現(xiàn)象。從熱力學(xué)規(guī)律可知，晶粒越大越穩(wěn)定。集成電路芯片互連中通常需要較大尺寸的晶粒，因?yàn)榇蟪叽缇Я５木Я＿吔巛^少，偏折電子的幾率較小，相應(yīng)的電阻系數(shù)也較小，抗電遷移能力也更強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文研究了脈沖電鍍和直流電鍍所得Cu鍍層電阻率、織構(gòu)系數(shù)、晶粒大小和表面粗糙度等特性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同電流密度條件下，脈沖電鍍所得Cu鍍層電阻率較低、表面粗糙度較小、表面晶粒尺寸和晶粒密度較大，而直流電鍍所得鍍層(111)晶面的擇優(yōu)程度優(yōu)于脈沖。
    脈沖電鍍對(duì)電沉積過(guò)程有著更強(qiáng)的控制能力，能降低濃差極化，改善鍍層物理性能，獲得致密的低電阻率金屬電沉積層，所得鍍層在很多性能方面優(yōu)于直流電鍍。在超大規(guī)模集成電路Cu互連技術(shù)中，脈沖電鍍將有良好的研究應(yīng)用前景。