半导体 第十五讲 互连.ppt

铜金属互联技术除了以上所述的微细加工、铜阻挡层、子晶层、铜电镀以外，还有很重要的铜退火和铜化学机械抛光（CMP），这些工序对铜互联线的质量也至关重要。从可靠性的角度来看，铜阻挡层、子晶的连续性、电镀铜的无孔性、铜晶粒的大小、退火的条件（温度、时间、气氛）以及铜CMP的质量，都影响到铜金属布线的电迁移水平。许多半导体生产厂家为了把铜引入生产线，为解决器件性能和可靠性作了大量的探索 铜电镀层的质量对后续工序有很大的影响，特别是片间、片内、芯片内非均匀性容易造成后续的铜CMP工艺中凹陷（dishing,在图形低密度区域）和侵蚀（erosion，图形高密度区），许多半导体生产厂家采用铜膜厚总偏差来控制铜电镀层的质量。 随着半导体器件特征尺寸的不断缩小，人们将不得不面临新的、更多的挑战。如此同时，新设计、新工艺、新设备、新材料和新的检测手段将不断推出，可以预料铜工艺技术将会得到进一步的发展。 以Cu作为互连材料的工艺流程 因为在很多方面Cu的性质与铝不同。所以不能用传统的以铝作为互连材料的布线工艺。对以Cu作为互连的工艺来说，目前被人们看好并被普遍采用的技术方案是所谓的Daul Damascene（双镶嵌）工艺。其主要特点是对任何一层进行互连材料淀积的同时，也对该层与下层之间的Via进行填充，而CMP平整化工艺只对导电金属层材料进行，因此，与传统的互连工艺相比，工艺步骤得到简化，相应的工艺成本得到降低，这是铜互连工艺技术所带来的另一优点。 以Cu作为互连材料的工艺流程 淀积刻蚀停止层 淀积介质材料 光刻引线沟槽图形 刻蚀引线沟槽 去掉光刻胶 光刻通孔图形 刻蚀通孔 去掉光刻胶 去掉刻蚀停止层 溅射势垒和籽晶层 金属填充通孔 CMP金属层 * IC互连金属化引入铜的优点 1. 电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小可以减少信号的延迟，增加芯片速度。 2. 功耗的减少：减小了电阻，降低了功耗。 3. 更高的集成密度：更窄的线宽，允许更高密度的电路集成，这意味着需要更少的金属层。 4. 良好的抗电迁移性能：铜不需要考虑电迁徒问题。 5. 更少的工艺步骤：用大马士革 方法处理铜具有减少工艺步骤 20％ to 30 %的潜力。 Cu互连面临的挑战 目前IC芯片内的互连线主要是铜材料，与原来的铝互连线相比，铜在电导率和电流密度方面有了很大的改进。但是，随着芯片内部器件密度越来越大，要求互连线的线宽越来越小，铜互连的主导地位也面临着严峻的考验。当芯片发展到一定尺寸，在芯片内以铜作为互连线就会遇到一系列问题。 Cu互连面临的挑战 由于Via相对尺寸小，承载的电流密度更大，所以这一问题在Via上更加严重。所造成的直接结果就是互连失效。尤其是集成电路技术进入32nm后，互连线的电流承载密度将达107A/cm2，这将超越Cu线的导电能力106A /cm2，迫使集成电路行业必须寻求新型互连材料。 * 与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互连主要涉及三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝技术，在铜应用与IC互连之前必须解决： 1. 铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有源区，将会损坏器件。 2. 应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图形。干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产生挥发性的副产物，而这对于经济的干法刻蚀是必不可少的。 3. 低温下（＜200℃）空气中，铜很快被氧化，而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。 * 阻挡层金属 铜 铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将破坏器件的性能。可淀积一层阻挡层金属，作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚度对0.25μm工艺来说为100nm；对0.35μm工艺来说为400～600nm。 铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层封闭薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。 * 钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽（Ta） 、氮化钽和钽化硅都是阻挡层金属的待选材料，阻挡层厚度必须很薄（约75埃），以致它不影响具有高深宽比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色。 铜 钽 * 可接受的阻挡层金属的基本特征： 1. 有很好的阻挡扩散作用； 2. 高导电率具有很低的欧姆接触电阻； 3. 在半导体和金属之间有很好的附着； 4. 抗电迁移 5. 在很薄的并且高温下具有很好的稳定性； 6. 抗侵蚀和氧化。 下一代互联材料与互连技术：碳纳米管互连 碳纳米管（Carbon Nanotubes）于1991年发现以来, 就一直是纳米科学领域的研究热点。 由于其超高电流密度承载能力的特性（碳纳米管上可以通过高达1010A/cm2的电流 ），引起了集成电路器件制造领域专家的关注。 碳纳米管互连的研究目前主要都集中在Via上。 碳纳米管的结构 碳纳米管是由单层或