集成電路工藝原理(1)(編輯修改稿)
2025-05-27 18:17 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線的材料。利用銅代替鋁作為互連線代表了半導(dǎo)體工業(yè)的重要轉(zhuǎn)變，可使計(jì)算機(jī)芯片體積縮小 30％，集成度提高一倍，如要達(dá)到 6層 Cu/SiO2的 RC要求，采用 AL/SiO2則需要 12層，它們構(gòu)成的器件能滿足高頻、高集成度、大功率、大容量，使用壽命長(zhǎng)的要求，它們速度提高 40％，并且可大幅降低成本，已受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視， Cu成為集成電路的下一代導(dǎo)線。 金屬銅 銅的優(yōu)點(diǎn) 金屬銅 ? IC互連金屬化引入銅的優(yōu)點(diǎn)是 ： 1. 電阻率的減小 在 20℃ 時(shí)，互連金屬線的電阻率從鋁的cm 減小到銅的 cm， 這減小 RC 的信號(hào)延遲 ， 增加芯片速度。 單純采用銅代鋁作為互連材料，可降低 RC約 40％。使用銅互連線可以減少芯片上互連線的電阻，或者在保持電阻不變的情況下，減小互連金屬的厚度來減小同一層內(nèi)互連線間的耦合電容，從而降低耦合噪聲和互連線的信號(hào)延遲。因此更加適合高頻器件和大功率器件 。 2. 良好的抗電遷移性能 銅在抗電遷移能力方面要比鋁大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，器件的壽命更長(zhǎng)，可靠性更佳。 3. 高熔點(diǎn) 當(dāng) IC中的電流密度過高，高熔點(diǎn)的材料比低熔點(diǎn)的材料更不易于發(fā)生電子遷移，原因在于前者有更高的界面擴(kuò)散激活能。鋁的熔點(diǎn)為 660℃ ，銅的熔點(diǎn)為 1083℃ ，所以銅更不易發(fā)生電子遷移。 銅的優(yōu)點(diǎn) 金屬銅 4. 更少的工藝步驟 用大馬士革方法處理銅具有減少工藝步驟 20% 到 30% 的潛力。 5. 熱傳導(dǎo)率 Cu具有更高的熱傳導(dǎo)率。 銅的優(yōu)點(diǎn) 金屬銅 ? Cu作為互連材料存在的問題 1. 銅在 Si和二氧化硅 （ 介質(zhì)材料 ） 中是間隙雜質(zhì) ，Cu在 Si中擴(kuò)散相當(dāng)快 ， 一旦進(jìn)入 Si器件中會(huì)成為深能級(jí)受主雜質(zhì) ， 對(duì)半導(dǎo)體中的載流子具有強(qiáng)的陷阱效應(yīng) ， 使器件的性能退化甚至失效；同時(shí) Cu在 SiO2（ 介質(zhì)材料 ） 中擴(kuò)散相當(dāng)快 ， 從而使 SiO2的介電性能嚴(yán)重退化 ， 形成互連線的低擊穿； 對(duì)銅的挑戰(zhàn) 金屬銅 2. Cu是一種穩(wěn)定的惰性金屬，不像鋁那樣易與刻蝕離子發(fā)生反應(yīng)而被刻蝕。一直難以找到可以刻蝕 Cu金屬薄膜材料的化學(xué)試劑和刻蝕手段，在傳統(tǒng)的干法腐蝕中，由于不能產(chǎn)生易揮發(fā)性鹵化物，因而不能用常規(guī)等離子體腐蝕工藝制備互連線圖形； 3. Cu在空氣中和低溫下（ 200℃ ）易氧化，而且不能像鋁一樣形成鈍化保護(hù)層來阻止自身進(jìn)一步被氧化和腐蝕； 對(duì)銅的挑戰(zhàn) 金屬銅 對(duì)銅的挑戰(zhàn) 金屬銅 4. 銅對(duì)二氧化硅、硅等材料的粘附性很差；銅不像鋁那樣易于在硅或二氧化硅襯底上生長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的不完美將導(dǎo)致電阻率的增大； 5. 銅的擴(kuò)散會(huì)引起所謂中毒效應(yīng)，與硅在較低溫度下（ 200℃ ）反應(yīng)生成 Cu3Si， Cu和 Si形成化合物后電阻率將增大好幾倍，導(dǎo)致對(duì)有源區(qū)的沾污而引起漏電和 Vt漂移。特別是當(dāng)其滲入到摻硼硅中時(shí)，會(huì)與硼發(fā)生反應(yīng)，形成 B－ Cu化合物而使硼的有效摻雜濃度降低。 Si擴(kuò)散入銅中將增加銅的電阻率； 6. 同時(shí)，芯片工作時(shí)，臨近金屬線之間施加的電場(chǎng)也大大提高了銅的擴(kuò)散速率。 基于以上原因，必須采取有效措施來防止銅向硅中擴(kuò)散，解決以上問題一般是在沉積銅層之前再加一步，即在刻好的槽的襯底上濺射淀積約 50nm厚的阻擋層，金屬擴(kuò)散阻擋層（ Ta， TaN等）或者介質(zhì)擴(kuò)散阻擋層（ Si3N4等），即在介質(zhì)層和金屬銅之間引入引入一層擴(kuò)散阻擋層，以提高銅與襯底的粘結(jié)性和阻止銅向 Si或二氧化硅襯底的擴(kuò)散。 對(duì)銅的挑戰(zhàn) 金屬銅 布線技術(shù) 目前的布線技術(shù)有兩種，即傳統(tǒng)的 RIE技術(shù)與新興的大馬士革工藝技術(shù)。大馬士革工藝技術(shù)較RIE技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：首先， RIE技術(shù)金屬的去除是用活性離子刻蝕的方法來形成圖案。但是，銅為惰性金屬，本身不能像鋁一樣容易與刻蝕離子發(fā)生反應(yīng)而被刻蝕，鋁被刻蝕能產(chǎn)生氣態(tài)的附產(chǎn)物，而銅刻蝕產(chǎn)生的氣態(tài)附產(chǎn)物不易揮發(fā)，也就是說銅的圖案成型使用 RIE技術(shù)有很大的技術(shù)難度， RIE刻蝕難以制備銅互連線的圖形。而大馬士革技術(shù)是用 CMP來實(shí)現(xiàn)圖案成型，這就解決了這一技術(shù)難題。 金屬銅 布線技術(shù) 金屬銅 其次， RIE技術(shù)中刻蝕溫度需要 200~250℃ ，但是大馬士革工藝技術(shù)的 CMP過程是在常溫下進(jìn)行，這就使工藝大大簡(jiǎn)化。再有，如果使用大馬士革工藝技術(shù)，則可以大批量生產(chǎn)，提高效率；最后，大馬士革工藝技術(shù)所用的設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。一般來說，通常情況下，形成 Al的布線一般采用 RIE技術(shù)，形成銅的布線使用大馬士革工藝技術(shù)。所以只能采用先刻蝕介質(zhì)再填充金屬互連材料的模式，大馬士革工藝成為目前唯一一種得到廣泛研究與應(yīng)用的銅圖形化技術(shù)。 布線技術(shù) 金屬銅 RIE技術(shù)中金屬的去除工序 大馬士革技術(shù)中金屬的去除工序 布線技術(shù) 金屬銅 大馬士革結(jié)構(gòu)有兩種形式
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