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本研究通过提高镀电铜薄膜的原子构型，研究了控制底层结晶度的有效方法,结果表明，通过控制底层的结晶度，提高电镀铜薄膜的结晶度，提高薄膜的力学性能，提高电镀铜互连的稳定性和寿命,本研究从晶界和晶界结晶度变化的角度，实验研究了微观结构和物理性质变化的主要因素,详细研究了通过控制电镀铜薄膜基材的结晶度的控制方法。
为了控制互连的性能和可靠性，消除多孔边界以减少填充TSV结构的铜薄膜的体积变化是非常重要的,这些多孔晶界经常出现在晶层材料上，晶格常数高度不匹配，如图所示1,钽通常被用作屏障层，以防止铜扩散到围绕铜互连的氧化物薄膜和硅衬底中。然而，钽与铜晶格常数约18%的大不匹配是外延生长铜结晶度低于大块铜的主要原因。因此，有必要控制底层的微观纹理，以提高电镀铜薄膜的结晶度。
图1
首先，利用CVD（化学蒸汽沉积）在硅片上沉积了一个1.5m厚的二氧化硅薄膜，其次，用EB（电子束）或RF溅射法依次沉积50nm厚Ta阻挡膜和150nm厚Cu种子膜，研究沉积方法对电镀铜薄膜结晶度的影响，在电流密度为10mA/cm2或50mA/cm2的条件下，用779g/l纯水、157g/l硫酸盐和64g/l氧化铜混合镀5m厚的铜膜，溶液中不添加添加剂以简化微纹理，最后，将基板切成小条状样品，4个样品在50oC/min的400℃电镀30分钟后退火，退火后，将样品以20℃/min的速度冷却至室温。
本研究利用x射线衍射法对材料的晶体取向进行了评价，并根据布拉格定律得到了材料的晶体取向和原子构型。
由于FWHM随观测区域内位错浓度和残余应力梯度幅度的增加而增加，因此FWHM的降低表明了薄膜质量的提高，即薄膜质量的降低，这种变化主要是由于薄膜中颗粒的粗化，也换句话说，是薄膜的再结晶。电镀铜薄膜的结晶度随电镀底层的微观纹理而显著变化，这种变化应该与电镀铜膜的力学性能的变化有很强的关系。
为了阐明电镀种子层的结晶度对电镀铜薄膜力学性能的影响，采用纳米插入DCM-SA2测量了电镀铜薄膜力学性能的变化，纳米压中心的空间分辨率和载荷分辨率分别为0.2pm和1nN。应变速率和常数设为0.05m/s，压痕深度固定在130nm处，该值小于电镀铜薄膜(5m)总厚度的十分之一。单晶铜的硬度在1.6GPa~1.9GPa之间略有分布，与样品的表面取向无关，测量数据的相对波动率在10%以内，每个样品的波动宽度均小于10%，这一结果验证了单晶铜的杨氏模量的强各向异性。
无论种子层的沉积方法如何，镀电膜的硬度值都很相似，然而，在400℃退火后，生长在胚胎沉积种子层上的薄膜的硬度远远高于生长在溅射种子层上的硬度，因此，即使在400℃退火后，种子层的沉积方法对镀电铜薄膜的力学性能的影响仍然存在，在电流密度为10mA/cm2下电镀的薄膜也得到了类似的结果，这些结果验证了对种子层材料的结晶度的控制对稳定电镀铜薄膜的力学性能具有重要意义。
本研究从晶界结晶度变化的角度，实验研究了电镀铜薄膜微观结构和物理性质变化的主要因素。利用纳米压痕机的测量结果表明，根据电镀种子层的沉积方法、电镀过程中的电流密度和电镀后的热历史，电镀铜薄膜的力学性能有很大的变化。在本研究中，电镀薄膜的杨氏模量为115GPa~150GPa，硬度为1.1GPa~2.6GPa不等。种子层的结晶度随其沉积方法的不同而变化也有很大的变化，这是电镀铜薄膜力学性能变化较大的主要原因。这是因为铜薄膜最初是在种子层原子上的外延生长的，此外，种子层中的晶体取向分布和位错密度都导致了种子层上电镀铜膜力学性能的巨大变化，因此，控制用于电镀的种子层的结晶度，以保证电镀铜薄膜的力学性能的稳定性是非常重要的。