1 实验
采用200 mm p型(100)Si片,首先在Si片上PECVD(concept one 200 mm dielectric system,Novellus)淀积800 nm SiO2介质层。接着用PVD(Invoa 200,Novellus)溅射25 nm的TaN/Ta扩散阻挡层,然后用PVD溅射50 nm的Cu籽晶层。在电解槽中,阳极为高纯度的Cu棒,外面包裹一层过滤膜,其作用是电镀时阻止固态不溶性杂质颗粒进入Cu镀层,影响镀层性能。将经PVD溅射好Cu籽晶层的200 mm Si片切片后的小矩形片作为阴极(5 cm×2 cm)。电解槽底部靠近阴极处有一个磁力搅拌子,电镀时置于电解槽下面的磁力搅拌仪产生磁场,驱动搅拌子匀速转动,转速设定为400r/min,这可以使电镀过程中阴极附近电解液中的Cu离子浓度保持正常,降低浓差极化和提高阴极电流密度,加快沉积速度。
电镀液成分为Cu2+17.5 g/L,H2S04 175 g/L,Cl一50 mg/L,加速剂2 mL/L,抑制剂8 mL/L和平整剂1.5 mL/L(添加剂均来自美国Enthone公司)。Cl一能提高镀层光亮度和平整性,降低镀层的内应力,增强抑制剂的吸附。加速剂通常是含S或其他官能团的有机物,包括硫脲及其衍生物,它的作用是促进Cu的成核,使各晶面生长速度趋于均匀。抑制剂包括聚乙二醇(PEG)、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物等,它的作用是和Cl一一起在阴极表面上形成一层连续膜以阻止Cu的沉积。平整剂通常是杂环化合物,一般含有N原子,它的作用是降低镀层表面粗糙度。
对于脉冲电镀,考虑到镀层与电解液界面间存在电位差,会在镀层表面形成一个双电层,其作用等效于一个电容,脉冲频率如果太大,双电层电容在脉宽和脉间内来不及充放电,此时的脉冲电流将接近于直流电流。但如果脉冲频率太小,电流效率就会变得很低,因此脉宽和脉间的时间一般都选在毫秒级。根据文献的研究结果,固定ton=8ms,toff=2ms,研究不同平均电流密度的影响。实验中通过设置不同的电流密度以及相对应的电镀时间,将Cu镀层厚度都较严格地控制在1μm。实验中使用方波脉冲,测量的Cu镀层薄膜参数包括电阻率、XRD、SEM和AFM。
2 结果和讨论
2.1 电阻率测量结果
图1是电沉积Cu层电阻率与电流密度之间的关系。可见,脉冲电镀得到的Cu镀层电阻率小于相同电流密度下的直流镀层。在小电流密度时(<2 A/dm2),直流镀层和脉冲镀层的电阻率都较大。
2.2 XRD测量结果
在XRD测量中,以晶面(hkl)的织构系数TC(texture coefficient)来表征晶面择优程度。
式中:I(hkl)、I0(hkl)分别表示沉积层试样和标准试样(hkl)晶面的衍射线强度;n为衍射峰个数。当各衍射面的TC值相同时,晶面取向是无序的,如果某个(hkl)面的TC值大于平均值,则该晶面为择优取向。晶面的TC值越大,其择优程度越高。
图2中(a)和(b)分别为直流镀层和脉冲镀层织构系数与电流密度的关系。(111)晶面抗电迁移的能力是(200)晶面的4倍,因此(111)晶面更有利于互连。两张图的变化趋势类似,主要晶面都是(111)和(200),但直流镀层中(111)的择优程度较脉冲镀层稍好。通过对Cu种籽层进行XRD后发现,籽晶Cu中(200)晶面呈现绝对择优。因此,XRD的结果表明,直流电镀的晶面抗电迁移的能力要优于脉冲电镀。由于1 μm的Cu电镀层太薄,镀层受到较强基体效应的影响,电沉积条件对晶面的影响很小,因此籽晶层的晶面在很大程度上决定了镀层的晶面情况。有文献报道,当Cu镀层超过4 μm后,就基本不受基体外延的影响,而主要由电沉积条件决定,形成绝对优势的择优晶面取向。