洗边和退火-----------纳米集成电路制造工艺 张汝京等 编著
物理气相沉积的铜种子层在生长的过程中，铜会长到硅片的边缘，甚至会长到硅片的背面，对后续工艺机台产生金属污染。另外，物理气相沉积的阻挡层和种子层在硅片边缘的均匀性都不太好，铜会在阻挡层局部的薄弱地方扩散到介电材料中，引起失效。而且，边缘不均匀的铜种子层与后续的薄膜存在黏附性问题，产生脱落，成为颗粒缺陷的来源。因此，化学电镀之后的洗边（EBR）非常必要。
图6.41为洗边装置，镀有铜的硅片正面朝上，在卡槽内高速旋转，一定比例的H2O2和H2SO4的混合液体从硅片边缘的喷嘴喷出，把硅片边缘一圈的铜去除，洗边之后，阻挡层仍然保留在硅片上。
电镀之后的铜晶粒非常小，通常小于0.1μm，此时铜膜的电阻率比较高。而且，在室温条件下，铜晶粒会在自退火（self-anneal）效应下逐渐长大。化学机被研磨速率对铜晶粒非常敏感，相对于小晶粒，大晶粒的研磨速率可以提高20%以上。因此，随时间变化的铜晶粒使化学机械研磨工艺变得不稳定。另外，大晶粒降低了薄膜中晶界的数量，可以大大提高铜线电迁移（electron migration）可靠性。鉴于上述原因，化学电镀的铜必须经过退火（anneal）处理才可以进行随后的工艺。图6.42为目前商业上广泛应用的化学电镀机台自带的退火装置（in-situ anneal）。图6.43为铜膜退火前后的晶粒大小比较。退火之后，薄膜的电阻率降低了20%左右，而且，薄膜的厚度越厚，退火温度越高，薄膜达到稳定所需要的时间越短。晶粒大小也由退火前的0.1μm左右长大到1μm以上，而且，退火之后晶相的分布变得更加无序。
退火工艺虽然简单，但作用非常重要，将直接影响到最终所镀铜膜的物理机械性能、缺陷状况、电学性能以及产品的可靠性。下面将对与退火过程相关的一些主要问题进行阐述。
1. 退火过程中的应力变化
图6.44为铜膜退火过程中的应力变化曲线。电镀结束时，铜的晶粒较小，铜膜的应力也较小，为张应力，一般为几十个 MPa，退火结束之后，由于晶粒的长大，铜膜的应力会迅速增加到300MPa左右。如此大的应力使得硅片产生巨大的翘曲变形（warpage），随着膜厚的增加，此变形会增加。尤其是随着集成度的增加，更多层的金属互连被应用，翘曲变形的情况将变得更加严重。严重的情况下使硅片无法进行后续的工序，如化学机械研磨、曝光等，甚至无法传片。通过化学电镀工艺条件的优化可以有效降低铜膜在退火之后的应力，另外，采用低温长时间的退火方式（例如炉管）也可以降低应力。
2. 退火过程中晶粒的变化
图 6.45 为铜晶粒大小与线宽的关系，由于硅片上的沟槽对铜晶粒的几何束缚作用，退火之后铜晶粒大小对线宽相当敏感。对于相同的退火条件，线宽越小，退火之后铜晶粒越小。为了提高小线宽中铜晶粒的大小，以提高铜线的电学性能和可靠性，必须采用更高的温度或者更长时间的退火。但是，如果退火条件过于强烈，会使铜线中的微缺陷增加，甚至出现由于应力过大而使沟槽中的铜被拔出（pull out）的现象，从而增加化学机械研磨之后硅片表面的微缺陷和降低铜线的可靠性。因此，退火方式的改变变得更加重要。
3.退火过程中微缺陷的变化
退火过程中，小晶粒的长大使得许多小的晶界发生聚集，在薄膜内部形成许多微缺陷（micro void）。在应力作用下，这些微缺陷会沿着晶界向应力梯度较大的区域（via 底部）聚集而形成大的空洞，从而使线路失效。解决这个问题的一个有效途径是通过改变添加剂的种类来增加铜膜中杂质的含量，这些杂质在薄膜中就会阻挡微缺陷的迁移，见图 6.46，从而使铜线有比较好的应力迁移（stress migration）性能。但杂质的增多会降低铜线的电子迁移（electron migration）性能，如图6.47所示。因此，实际生产过程中将根据产品的需要在二者之间进行取舍，选择合适的添加剂。
