3.脉冲电镀和化学镀在铜互连中的应用
在目前的集成电路制造中，芯片的布线和互连几乎全部是采用直流电镀的方法获得铜镀层。但直流电镀只有电流/电压一个可变参数，而脉冲电镀则有电流/电压、脉宽、脉间三个主要可变参数，而且还可以改变脉冲信号的波形。相比之下，脉冲电镀对电镀过程有更强的控制能力。最近几年，关于脉冲电镀在集成电路铜互连线中的应用研究越来越受到重视[3，4].脉冲电镀铜所依据的电化学原理是利用脉冲张驰增加阴极的活化极化，降低阴极的浓差极化，从而改善镀层的物理化学性能。在直流电镀中，由于金属离子趋近阴极不断被沉积，因而不可避免地造成浓差极化。而脉冲电镀在电流导通时，接近阴极的金属离子被充分地沉积；当电流关断时，阴极周围的放电离子又重新恢复到初始浓度。这样阴极表面扩散层内的金属离子浓度就得到了及时补充，扩散层周期间隙式形成，从而减薄了扩散层的实际厚度。而且关断时间的存在不仅对阴极附近浓度恢复有好处，还会产生一些对沉积层有利的重结晶、吸脱附等现象。脉冲电镀的主要优点有：降低浓差极化，提高了阴极电流密度和电镀效率，减少氢脆和镀层孔隙；提高镀层纯度，改善镀层物理性能，获得致密的低电阻率金属沉积层。
除了电镀以外，还有一种无需外加电源的沉积方式，这就是化学镀。化学镀不同于电镀，它是利用氧化还原反应使金属离子被还原沉积在基板表面，其主要特点是不需要种籽层，能够在非导体表面沉积，具有设备简单、成本较低等优点。化学镀目前在集成电路铜互连技术中的应用主要有：沉积CoWP等扩散阻挡层和沉积铜种籽层。最近几年关于化学镀铜用于集成电路铜互连线以及沟槽填充的研究亦成为一大热点，有研究报道通过化学镀同样可以得到性能优良的铜镀层[5，6].但是化学镀铜通常采用甲醛做为还原剂，存在环境污染的问题。
4.铜互连工艺发展趋势
使用原子层沉积（ALD ，Atomic Layer Deposition）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[7].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13，500 nm2的导线中实际上只有8，400 nm2用于导电，效率仅为62.2%[7].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[7].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（~7 μΩ-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。
5.结语
铜互连是目前超大规模集成电路中的主流互连技术，而电镀铜是铜互连中的关键工艺之一。有机添加剂是铜电镀工艺中的关键因素，各种有机添加剂相互协同作用但又彼此竞争，恰当的添加剂浓度能保证良好的电镀性能。在45nm或更小特征尺寸技术代下，为得到低电阻率、无孔洞和缺陷的致密铜镀层，ALD和无种籽电镀被认为是目前最有可能的解决办法。此外，研究开发性能更高的有机添加剂也是途径之一，而使用新的电镀方式（比如脉冲电镀）也可能提高铜镀层的质量。（考试大一级建造师编辑整理）
