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本研究通過提高鍍電銅薄膜的原子構(gòu)型，研究了控制底層結(jié)晶度的有效方法,結(jié)果表明，通過控制底層的結(jié)晶度，提高電鍍銅薄膜的結(jié)晶度，提高薄膜的力學(xué)性能，提高電鍍銅互連的穩(wěn)定性和壽命,本研究從晶界和晶界結(jié)晶度變化的角度，實(shí)驗(yàn)研究了微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)變化的主要因素,詳細(xì)研究了通過控制電鍍銅薄膜基材的結(jié)晶度的控制方法。
為了控制互連的性能和可靠性，消除多孔邊界以減少填充TSV結(jié)構(gòu)的銅薄膜的體積變化是非常重要的,這些多孔晶界經(jīng)常出現(xiàn)在晶層材料上，晶格常數(shù)高度不匹配，如圖所示1,鉭通常被用作屏障層，以防止銅擴(kuò)散到圍繞銅互連的氧化物薄膜和硅襯底中。然而，鉭與銅晶格常數(shù)約18%的大不匹配是外延生長(zhǎng)銅結(jié)晶度低于大塊銅的主要原因。因此，有必要控制底層的微觀紋理，以提高電鍍銅薄膜的結(jié)晶度。
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圖1
首先，利用CVD（化學(xué)蒸汽沉積）在硅片上沉積了一個(gè)1.5m厚的二氧化硅薄膜，其次，用EB（電子束）或RF濺射法依次沉積50nm厚Ta阻擋膜和150nm厚Cu種子膜，研究沉積方法對(duì)電鍍銅薄膜結(jié)晶度的影響，在電流密度為10mA/cm2或50mA/cm2的條件下，用779g/l純水、157g/l硫酸鹽和64g/l氧化銅混合鍍5m厚的銅膜，溶液中不添加添加劑以簡(jiǎn)化微紋理，最后，將基板切成小條狀樣品，4個(gè)樣品在50oC/min的400℃電鍍30分鐘后退火，退火后，將樣品以20℃/min的速度冷卻至室溫。
本研究利用x射線衍射法對(duì)材料的晶體取向進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并根據(jù)布拉格定律得到了材料的晶體取向和原子構(gòu)型。
由于FWHM隨觀測(cè)區(qū)域內(nèi)位錯(cuò)濃度和殘余應(yīng)力梯度幅度的增加而增加，因此FWHM的降低表明了薄膜質(zhì)量的提高，即薄膜質(zhì)量的降低，這種變化主要是由于薄膜中顆粒的粗化，也換句話說，是薄膜的再結(jié)晶。電鍍銅薄膜的結(jié)晶度隨電鍍底層的微觀紋理而顯著變化，這種變化應(yīng)該與電鍍銅膜的力學(xué)性能的變化有很強(qiáng)的關(guān)系。
為了闡明電鍍種子層的結(jié)晶度對(duì)電鍍銅薄膜力學(xué)性能的影響，采用納米插入DCM-SA2測(cè)量了電鍍銅薄膜力學(xué)性能的變化，納米壓中心的空間分辨率和載荷分辨率分別為0.2pm和1nN。應(yīng)變速率和常數(shù)設(shè)為0.05m/s，壓痕深度固定在130nm處，該值小于電鍍銅薄膜(5m)總厚度的十分之一。單晶銅的硬度在1.6GPa~1.9GPa之間略有分布，與樣品的表面取向無關(guān)，測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)波動(dòng)率在10%以內(nèi)，每個(gè)樣品的波動(dòng)寬度均小于10%，這一結(jié)果驗(yàn)證了單晶銅的楊氏模量的強(qiáng)各向異性。
無論種子層的沉積方法如何，鍍電膜的硬度值都很相似，然而，在400℃退火后，生長(zhǎng)在胚胎沉積種子層上的薄膜的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生長(zhǎng)在濺射種子層上的硬度，因此，即使在400℃退火后，種子層的沉積方法對(duì)鍍電銅薄膜的力學(xué)性能的影響仍然存在，在電流密度為10mA/cm2下電鍍的薄膜也得到了類似的結(jié)果，這些結(jié)果驗(yàn)證了對(duì)種子層材料的結(jié)晶度的控制對(duì)穩(wěn)定電鍍銅薄膜的力學(xué)性能具有重要意義。
本研究從晶界結(jié)晶度變化的角度，實(shí)驗(yàn)研究了電鍍銅薄膜微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)變化的主要因素。利用納米壓痕機(jī)的測(cè)量結(jié)果表明，根據(jù)電鍍種子層的沉積方法、電鍍過程中的電流密度和電鍍后的熱歷史，電鍍銅薄膜的力學(xué)性能有很大的變化。在本研究中，電鍍薄膜的楊氏模量為115GPa~150GPa，硬度為1.1GPa~2.6GPa不等。種子層的結(jié)晶度隨其沉積方法的不同而變化也有很大的變化，這是電鍍銅薄膜力學(xué)性能變化較大的主要原因。這是因?yàn)殂~薄膜最初是在種子層原子上的外延生長(zhǎng)的，此外，種子層中的晶體取向分布和位錯(cuò)密度都導(dǎo)致了種子層上電鍍銅膜力學(xué)性能的巨大變化，因此，控制用于電鍍的種子層的結(jié)晶度，以保證電鍍銅薄膜的力學(xué)性能的穩(wěn)定性是非常重要的。