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芯片金屬互連中電鍍添加劑的理論與實驗研究

深圳市賽姆烯金科技有限公司 ? 來源:深圳市賽姆烯金科技有限 ? 2023-10-31 16:54 ? 次閱讀
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電鍍技術(shù)是實現(xiàn)芯片制程中金屬互連的核心技術(shù), 而電鍍所用添加劑是實現(xiàn)高質(zhì)量互連的關(guān)鍵。哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院安茂忠教授團隊系統(tǒng)地概述了電鍍互連中添加劑的研究方法。 首先對添加劑的電化學(xué)研究方法進行介紹, 將電化學(xué)研究法分為伏安與阻抗分析法、恒電流研究法和其他電化學(xué)方法三類, 并對電化學(xué)方法的應(yīng)用和缺點進行總結(jié)。

隨后, 從分子動力學(xué)模擬和量子化學(xué)計算兩方面介紹了理論計算在添加劑研究中的應(yīng)用。 最后, 介紹了各種先進表征技術(shù)在研究添加劑機理方面的應(yīng)用。 從波譜分析方法、電子顯微鏡研究方法和二次離子質(zhì)譜研究方法三個方面介紹了先進表征方法在研究添加劑作用機理的應(yīng)用。 總結(jié)添加劑研究的不同方法為后續(xù)開展添加劑的篩選及作用機理的研究提供指導(dǎo)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 電子設(shè)備進入人們生活的方方面面。 芯片(即集成電路, integrated circuit, IC), 作為電子產(chǎn)品的核心部件, 其制造技術(shù)的進步極大地促進了信息技術(shù)的發(fā)展。 自1971年Intel公司的4004芯片發(fā)展到2020年英偉達(NVIDIA)公司的A100芯片, 晶體管數(shù)目從2300個增加至540億個。 進入5G時代以來, 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展, 構(gòu)建了覆蓋工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、交通等各行各業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈, 有效推動了各行業(yè)的智能化發(fā)展, 使有限的資源被更加合理的分配, 人類社會生活進入萬物互聯(lián)時代, 極大地提升了人們的生活水平和生活質(zhì)量。

現(xiàn)如今, 隨著高端芯片中集成度越來越高(臺積電已試產(chǎn)2 nm芯片), 金屬布線也越來越密。 不斷減小的互連線寬會降低芯片的性能和良率。 電沉積技術(shù)是實現(xiàn)金屬互連的關(guān)鍵技術(shù)。 然而在電沉積過程中, 由于受尖端效應(yīng)和微納孔內(nèi)傳質(zhì)的限制, 溝槽開口處金屬沉積過快, 導(dǎo)致形成縮孔缺陷, 降低互連線的質(zhì)量和穩(wěn)定性。 在傳統(tǒng)的銅大馬士革工藝中, 通過引入組合添加劑(加速劑、抑制劑和整平劑), 在添加劑的協(xié)同作用下, 銅在開口處的沉積速率低于底部的沉積速率, 形成自下而上的生長(Bottom-up growth)。 這一過程也稱為“超填充”(Superfilling)。然而, 傳統(tǒng)的銅互連電沉積技術(shù)正面臨挑戰(zhàn)。 一方面, 當互連線寬小于傳統(tǒng)互連金屬銅的平均電子自由程時, 電子在晶界和晶面的散射大大增強, 電阻率顯著高于銅的本征電阻率。 極大地增加了RC延遲; 另一方面, 因為添加劑的尺寸較大、且阻擋層/種子層在溝槽內(nèi)部所占比例增加, 容易形成縮孔缺陷, 降低可靠性。

金屬鈷因具有較低的平均電子自由程, 在先進節(jié)點下仍能保持較好的電氣性能, 已取代銅用于先進制程中。 雖然鈷互連可以通過電鍍技術(shù)實現(xiàn), 與現(xiàn)有的銅互連電鍍工藝相兼容, 但實現(xiàn)金屬互連的核心是找尋合適的添加劑, 需要開發(fā)出新的鍍鈷添加劑。 理解添加劑的作用機理對后續(xù)添加劑的設(shè)計與開發(fā)具有積極意義。 近20年來, 隨著科學(xué)技術(shù)的進步, 包括計算化學(xué)、先進分析表征等, 層出不窮的方法被用來探究電沉積過程中添加劑的作用機理, 并助力電子電鍍技術(shù)的發(fā)展。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院安茂忠教授團隊主要介紹了目前研究添加劑的主要方法, 包括傳統(tǒng)的電化學(xué)研究法, 如伏安分析法(Voltammetry)和電化學(xué)阻抗譜(ElectrochemicalImpedance Spectra, EIS)、恒電流研究法(GalvanostaticMeasurement, GM), 電化學(xué)石英晶體微天平(Electrochemical QuartzCrystal Microbalance, EQCM)等; 理論研究法包括分子動力學(xué)模擬, 如經(jīng)典分子動力學(xué)模擬和從頭算分子動力學(xué)模擬, 以及密度泛函理論計算方法; 先進表征方法, 包括波譜分析方法、電子顯微鏡研究方法和二次離子質(zhì)譜研究方法等。 最后, 對電鍍添加劑的研究進行了總結(jié)與展望。 該綜述可為讀者在后續(xù)的添加劑研究中提供方法上的指導(dǎo)幫助.

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原文標題:芯片金屬互連中電鍍添加劑的理論與實驗研究

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