集成电路铜互连线脉冲电镀研究

文章摘要：3、结果和讨论 3.1 电阻率测试结果 图1为不同平均电流密度下铜镀层的电阻率曲线。从图中可见，随着电流密度的增加，铜镀层电阻率呈现先急剧下降再缓慢上升的趋势。实验表明，在中等电流强度（2～8A/dm2 ）时，用脉冲电镀可以得到电阻率较小（小于2.0×10 -6Ω·cm）的铜镀层。 3.2 XRD测试结果 考虑到晶粒尺寸细化引起衍射峰宽化，晶粒尺寸可由谢乐（Scherrer）公式计算[15]： 公式中，K为Scherrer常数；λ 为X射线的波长； Wb为薄膜衍射峰的积分宽度；W s为仪器宽化；θ为衍射峰的衍射角。 XRD的测试数据如图2所示，所得铜镀层中主要为（1

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3、结果和讨论

3.1 电阻率测试结果

    图1为不同平均电流密度下铜镀层的电阻率曲线。从图中可见，随着电流密度的增加，铜镀层电阻率呈现先急剧下降再缓慢上升的趋势。实验表明，在中等电流强度（2～8A/dm2 ）时，用脉冲电镀可以得到电阻率较小（小于2.0×10 -6Ω·cm）的铜镀层。

3.2 XRD测试结果

    考虑到晶粒尺寸细化引起衍射峰宽化，晶粒尺寸可由谢乐（Scherrer）公式计算[15]：

    公式中，K为Scherrer常数；λ 为X射线的波长； Wb为薄膜衍射峰的积分宽度；W s为仪器宽化；θ为衍射峰的衍射角。

    XRD的测试数据如图2所示，所得铜镀层中主要为（111）晶面和（200）晶面，此外还有极少量的（220）晶面，但是（111）晶面和（200）晶面的择优程度相当，没有形成绝对的择优取向。因此使用（200）晶面强度和（111）晶面强度的比值来作为考察铜镀层晶面变化的参数，它们随电流密度的变化关系见于图2。铜的这一标准比值为0.46，对铜籽晶层的XRD测试显示籽晶层这一比值为0.92，属（200）择优晶面。由于1μm的铜电镀层太薄，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。当铜镀层超过4μm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[15]。

    此外，只有在0.38A/dm2电流情况下铜电镀层的XRD图谱中观察到了一定强度的Si（400）峰，这很可能是因为低电流下电镀形成大晶粒，导致镀层中存在较大的缝隙，从而X射线能衍射通过大约1μm的铜镀层探测到下面的Si元素。在其他电流情况下则没有这个峰，说明低电流下铜镀层的结构不致密。

    根据XRD测试数据，由谢乐公式计算晶粒直径，再分别做出（111）晶面和（200）晶面晶粒直径随电流密度的变化关系，如图3所示。（111）晶面和（200）晶面晶粒直径随电流密度的变化很相似，都是随着电流增大晶粒直径减小，但（111）晶面的晶粒直径比（200）晶面的略大。互连中通常需要较大尺寸的晶粒，因为大尺寸晶粒的晶粒边界较少，偏折电子的几率较小，相应的电阻系数也较小。根据图3的结果，电镀时电流密度不应选得太高。

3.3 AFM测试结果

    一般来说，无添加剂的铜镀层表面粗糙度在几十甚至100nm以上，由于添加剂的作用，使得粗糙度大大减小，测量结果仅为几个纳米。平整的表面可以为后续CMP工艺提供了一个易于进行处理的基底表面。通过AFM观测随着电流密度的增大，铜镀层表面晶粒直径逐渐变小。由于大晶粒具有较大的粗糙度，低电流情况下表面粗糙度最大。

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