【正文】 連延遲卻在逐漸增大。在目前的深亞微米ULSI 階段,互連RC 延遲已經(jīng)顯著大于門延遲，成為制約集成電路速度進一步提高的瓶頸。為了減小互聯(lián)造成的RC 延遲，人們一方面積極開發(fā)低介電常數(shù)介質材料，同時努力尋求一種電阻率比Al更低的金屬材料，減小金屬互聯(lián)線的串聯(lián)電阻，以期減小總的互聯(lián)延遲效應。選擇鋁互連材料的替代材料必須根據(jù)集成電路對金屬互連材料及其工藝性能的要求和金屬自身的性能。，Metal 1Metal 2Metal 3Source Gate DrainDiffusio Barrier/Adhesion PromoterDielectr1ic 1Dielectric 2 Dielectric 3　集成電路對金屬互連材料及其工藝的要求 [1]序號 內容1 低電阻率和低電阻溫度系數(shù)2 容易在平面上快速沉積并具有高的縱橫比3 容易蝕刻和修平4 抗氧化和耐腐蝕(低的化學反應性和理想的自身鈍化作用)5 機械穩(wěn)定性好，和基底、絕緣層、阻擴散層或封裝層的結合強度高6 可以控制其微結構(具有均勻的大晶粒和光滑的表面)7 熔點高(高的電遷移阻力)8 和其它材料及其處理過程具有一定的兼容性9 向其它材料中的擴散能力低10 在制作和使用過程中無環(huán)境污染11 可靠性高12 成本低13 熱引起的變化(晶粒生長和織構變化，小丘型突起，熱導率及散熱)給出了幾種可以作為集成電路互連材料的金屬及其性能，選擇金屬互連材料時必須綜合考慮金屬的性能與集成電路的要求。金屬的電阻、電遷移、小丘的長大、合金元素的再分布和晶粒長大都與金屬的自擴散有關，而金屬的自擴散又與其熔點和結晶度有關。金屬在晶格的擴散(QL)與沿晶界的擴散(QB)的自擴散激活能與熔點存在經(jīng)驗關系：QL(Bulk)≈34Tm和QB≈17Tm (11)即熔點越高其擴散就越弱，因此高熔點是選擇互連材料的方向。互連材料也需要低的電阻率和低的電阻溫度系數(shù)，這樣才能使得互連延遲減少。金屬互連材料另一個重要的要求是高導熱性，以保證散熱快，線路升溫低，可靠性高。金屬互連材料也要求高的力學穩(wěn)定性，特別是內應力和結合強度，希望金屬互連材料有與Si基底相近的熱膨脹系數(shù)和與基底高的結合強度?！】捎米鲀冗B導線金屬的主要性能比較 [1]金屬性能Cu Ag Au Al電阻率 ρ() 楊式模量 E(103Mpa) 電阻溫度系數(shù) TC(103/K) 熱導率(10 2W/m) 熱脹系數(shù) CTE(106/℃) 17 熔點 (℃) 1085 962 1064 660熱容量(J/) 386 234 132 917耐蝕性 差 差 優(yōu) 良與 SiO2 的結合情況 差 差 差 良RC 延遲時間(ps/mm) 　Cu 互連材料的優(yōu)勢與存在的問題Cu 互連材料的優(yōu)勢Cu作為互連材料與Al相比在電學、力學和熱力學等方面都有其優(yōu)點：(1)銅的電阻率僅為鋁的電阻率的 60%(銅 ，鋁 )，有利于降低焦耳熱的產(chǎn)生，縮短 RC 延遲時間，提高集成電路的工作頻率。(2)具有接近于 Si 的熱脹系數(shù)(α=310 6/℃)，溫度變化時在膜中產(chǎn)生的熱應變較小。導熱率高，散熱容易。(3)熔點高、自擴散激活能高和自擴散系數(shù)低，有利于提高抗電遷移和應力遷移能力。與鋁相比，銅的電子遷移失效時間要大 1~2 個數(shù)量級，所以銅可以在更薄的互連層厚度上通過更高的電流密度，從而降低能量消耗。(4)銅連線 IC 制造成本低。實現(xiàn)銅互連線的雙鑲嵌(dual damascene)IC 工藝，比鋁連線 IC 工藝減少了約 2030%的工序，特別是省略了腐蝕鋁等難度較大的瓶頸工序。另外，銅連線的布線層數(shù)目比鋁連線少，對某些 IC 器件，銅連線的層數(shù)只有鋁連線的一半。(5)銅連線降低了電容和信號串擾效應，若將銅連線和低介電常數(shù)的絕緣材料相結合，這種銅/低介電常數(shù)介質連線，速度將會更快，串擾將會更小。(6)高的屈服強度(68MPa) 和抗拉強度(221MPa) ，可限制塑性流動，加強Cu 膜的抗應力遷移性能，并可使 Cu 膜在塑性流動時保持導體的完整，故多數(shù) Cu 膜不以斷裂方式失效而更多地轉向于膜基界面分裂。Cu 互連材料存在的問題作為互連導線材料，Cu的缺點也顯而易見：(1)與Si基底的結合很弱。（2)容易向 Si基底擴散形成Cu 3Si或Cu 5Si相，導致體積膨脹，引起金屬互連線路的斷路或短路。(3)以薄膜形式存在的電遷移激活能低，不能充分體現(xiàn)Cu互連抗電遷移能力高的優(yōu)點。(4)Cu不易刻蝕，雖然有人已經(jīng)研制出刻蝕Cu互連線的方法，但是刻蝕的質量尚無法滿足集成電路工藝的要求。(5)無法形成自鈍化層，抗氧化性能不高。解決問題的途徑針對上述問題的解決途徑是：(1)在Cu 與Si 基底間沉積阻擋層阻止Cu向Si 擴散形成化合物，同時改善Cu與Si 基底的結合強度。(2)以化學機械拋光法(CMP)為基礎采用自對準填充和自動停止的雙鑲嵌技術實現(xiàn)對Cu的布線，IBM公司用此方法已生產(chǎn)出六層Cu互連的集成電路。(3)對Cu 進行微合金化，加入固溶度低的合金元素，通過退火使合金元素在晶界或界面上析出，提高抗電遷移能力和力學性能(如彈性模量、硬度、抗拉強度)，并提高Cu膜的抗氧化性。隨著擴散阻擋層的使用和Cu刻蝕與雙鑲嵌技術的實現(xiàn)，Cu互連材料逐步走向實用?！u 互連的應用和發(fā)展狀況從八十年代初開始，各大公司就開展了尋找Al的替代物的研究。經(jīng)過研究和比較，最后紛紛采用了Cu互連技術。一般來講，必須要部分或全部采用Cu互連線。1994年，歐洲Siemens公司贊助了一個名為COIN(Copper Interconnections) 的研究項目，重點研究 Cu互連技術 [2]。此后，世界著名的半導體公司紛紛投入財力、物力和人力，開展銅布線的研究與開發(fā)，取得了豐碩的成果。1997年9月IBM MOTOROLA SEMTECH相繼宣布開發(fā)成功以銅布線代替鋁布線的新技術即用電鍍方法把銅沉積在硅園片上預先腐蝕的溝槽里然后用化學機械拋光(CMP)使之平坦化 [3]。銅布線的400MHZ的商用高速芯片?！PU的多層互連結構圖2022年的SEMI研討會上IBM公司和Infineon原西門子公司半導體部發(fā)表了CMOS 7S和 7SF工藝受到廣泛關注它采用全集成的ULSI CMOS/ 銅互連技術。2022年10月Sun推出的UltraSPARC 。2022年1月Intel發(fā)布的P4處理器采用的是 。2022年3月IBM 。 的多層互連結構圖為了緩解互連延遲的壓力采用了逐層增加間距和厚度的辦法。銅互連線技術的研究和應用雖然取得了很大進展，但由于采用了全新的材料和制造工藝，目前尚未達到成熟應用階段，其技術尚待改善，但在不久的將來，銅布線代替鋁來提高互連的可靠性是可以預料的。目前，有關 Cu互連的各項技術專利都掌握在美國等國的手中，國內的研究尚處于起步階段?！U散阻擋膜　擴散阻擋膜的定義及性能要求Cu 在硅中屬于填隙性雜質，一旦銅原子進入硅中，就會在硅中迅速擴散。銅原子層間擴散的機理是銅原子通過銅薄膜和介質層的界面中存在晶粒邊界或空洞等缺陷穿過界面，到達硅表面，首先在界面形成積累，隨著銅原子的增多，進一步擴散到硅體內，引起器件性能的下降。根據(jù)上述 Cu 擴散機理，銅易與硅反應，影響 Cu 作為互連材料的器件的熱穩(wěn)定性、電遷徙特性等可靠性問題，所以必須在 Cu 和 Si 基介質之間加一層薄膜，稱為DBAP(Diffusion Barrier and Adhesion Promoter)，簡稱為阻擋層(Barrier，圖)，起到阻擋 Cu 熱擴散進入 Si 器件及改善粘附性的作用?！?銅互連中擴散阻擋層示意圖擴散阻擋層要求既能阻礙 Cu 的擴散又能有效改善 Cu 膜與基體的結合強度。良好的擴散阻擋層 X 與其上下層材料 AB 應符合如下條件 [4]：(1)AB 兩物質經(jīng)由 X 的穿透速率小。(2)X 損耗于 AB 內的速率小。(3)X 對于 AB 具有熱穩(wěn)定性。(4)X 對于 AB 具有良好的附著性。(5)X 與 AB 的接觸電阻小。(6)X 在厚度與結構上均一。(7)多層膜系統(tǒng)的熱應力和機械應力小。(8)多層膜系統(tǒng)的導熱性和導電性高。隨著 ULSI 的發(fā)展對阻擋層又有了新的工藝方面的要求：如 X 的沉積應是均勻而無缺陷地被沉積到高橫縱比的微孔中去；X 沉積工藝應當與金屬沉積工藝相匹配，如 PVD，CVD，電鍍；并且沉積的成本要低； X 應當與ILD 材料(SiO SiOF、lowk 等)相匹配；X 可使用于 CMP 工藝等等。擴散阻擋層的阻擋性能不僅取決于擴散阻擋層材料本身，還取決于擴散阻擋層的沉積方法和工藝條件 [5]，包括沉積工藝、前序處理、后序處理等條件 [6]。濺射法是沉積擴散阻擋層被較多采用的沉積方法，但近來的研究表明金屬離化(IMP)沉積的 TaN 比 CVD 沉積的質量高 [7]。不僅沉積方式有影響，濺射參數(shù)對擴散阻擋層的性能也有很大影響。研究發(fā)現(xiàn)氮含量不同的 TaN擴散阻擋層的性能相差很大，隨著氮含量的增加其熱穩(wěn)定性提高，對 TiSiN 和 TaSiN 的研究也發(fā)現(xiàn)，隨著氮含量和硅含量的變化，擴散阻擋層的熱穩(wěn)定性有明顯差異。　阻擋層材料的分類阻擋層的分類依據(jù)有多種，首先最明了的是按照材料性質來分可以分為三類:(l)介質阻擋層:如通過高密度等離子體方法制備的A1 2O、SiC或者SiN。這種阻擋層主要是利用其致密的特性，阻擋金屬互連材料的擴散，和介質層的粘附性較好，但是就Cu互連材料而言其接觸特性并不十分穩(wěn)定。(2)導電阻擋層:Ta、Ti、Cr、Nb 、Zr、W等難熔金屬及其化合物。這些是研究得較多，也應用較廣的阻擋層材料，其優(yōu)點是能有效增強Cu/Si基材料界面的粘附性，但純金屬的晶粒間界能成為Cu的擴散通道，在高溫下的阻擋效果受到影響，但金屬氮化物或碳化物的阻擋效果則更好。(3)合金阻擋層:如NiWP、NiReP等，這種材料一般采用非電鍍的方法制備，如LPCVD 方法制備的TaSiN 合金具有較好的臺階覆蓋性和選擇性，是Cu互連阻擋層中的一個研究熱點。從阻擋層發(fā)揮作用的機理來看則可將其分為以下三類 [8]，如圖13所示:(l)消耗型阻擋層:這種類型的阻擋層會和其接觸的材料發(fā)生一定程度的反應，這種反應的產(chǎn)物能在一定程度上阻斷繼續(xù)擴散的通道，如Ti/Pd/Au的三元體系就是以Pd 和Au 的互相擴散來阻擋Ti進入Au 的。但可圖 　消耗型、阻塞型、非晶型阻擋層示圖以想象，如果阻擋層不夠厚，則上下兩層之間的大量擴散就成為可能，因此隨著集成度的提高，這種阻擋層的可靠性正在受到考驗。(2)阻塞型阻擋層:這種類型的阻擋層和上下兩層之間不發(fā)生反應，熱穩(wěn)定性高，同時在擴散通道處最好能有原子或者分子填塞，或本身晶粒較小，堆積較密，起到有效的阻擋作用。因此一些處于非化學計量比的金屬化合物能起到理想的作用，以 TaNx對 Cu 的阻擋為例，反應劑量多余的離子能處在晶粒間界處填塞 Cu 的快速通道 [9]。(3)非晶型阻擋層:非晶結構有明顯的優(yōu)勢，即沒有晶粒間界這樣的快速通道可通過，因而阻擋效果非常理想。被人為制備成非晶態(tài)的多晶是處于非穩(wěn)態(tài)的物質形式，在一定溫度之后會發(fā)生重結晶，其阻擋優(yōu)勢不復存在。Cu互連體系的阻擋層材料不同，擴散機制也就不同。兩種最主要的擴散是體積擴散(volume Diffusion)和短路(short circuit Diffusion)擴散()。體積擴散又分為間隙擴散(interstitial Diffusion)和置換擴散 (substitutional Diffusion)。高溫下金屬互連中擴散以體積擴散為主。較低的溫度下(熔點以下)擴散以短路擴散為主 [10]。減少擴散路徑通常有三種方法：一是選用高熔點的金屬材料；二是向薄膜中摻入N、C或Si等“雜質”對晶界進行填充以降低缺陷密度；三是沉積非晶薄膜。圖 　原子排列中的間隙和空位示意圖　阻擋層材料的發(fā)展隨著集成電路對阻擋層材料要求的提高，人們從阻擋層材料的選擇、制備方法的改進等多方面進行了廣泛的研究，目前在阻擋層材料體系及微結構方面的研究主要集中在以下幾方面：難熔金屬難熔金屬及其氮化物由于其良好的導電性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)點一直是阻擋層材料的研究熱點。目前半導體制造業(yè)中最常使用的阻擋層材料是 TIN，雖然 TIN 與 Cu、Si 在熱力學上是穩(wěn)定的，但其最大的缺點就是多晶和柱狀微結構，這些是作為阻擋層最不愿意看到的，因為存在的較多晶界將成為 Cu快速擴散的通道。晶結構的 TiN 能夠消除這一缺陷，但非晶態(tài)的 TiN 是非常不穩(wěn)定的。另外一些過渡金屬的氮化物如 WN 等與 Cu 也是熱力學穩(wěn)定的并可以通過反應濺射的方法制備得到非晶態(tài)，但其也將在 TiN 作為阻擋層失效的溫度下開始晶化。所以尋找一種具有更高熱穩(wěn)定性的阻擋層材料迫在眉睫。對于 Ta、Ti、Mo 等難熔金屬來說，作為擴散阻擋層的最大優(yōu)點就是與 Cu 的附著性較好、電阻率低。其中，Ta 是一種呈淺灰色光澤的稀有金屬，熔點高達 2996℃，僅次于 W 和 Re，密度為 ，Ta 的電子軌道結構為:4f l45d36s2。6s 軌道上處于滿態(tài)而 5d 軌道則只有 3 個電子 [11]。Ta 具有兩種結構:熱力學穩(wěn)定的體心立方 aTa 相，電阻率為 2μΩcm；亞穩(wěn)態(tài)四角相pTa，電阻率為 200μΩcm。