第七章+后端工艺

电场和温度都对铜扩散有重要影响； 铜原子和离子都对扩散有贡献； 氮化硅和氮氧化硅对铜扩散有一定的 阻挡作用。 Si3N4, SiONx
Zhao
导电扩散阻挡层的选择
铜-钽系的相图
早期的相图研究工作者的工作指出Cu与Ta完全不互溶。因此， Ta是非常理想的铜扩散阻挡层。
Zhao
导电扩散阻挡层的选择
7.4 铜互连工艺
7.4.1 阻挡层和铜仔晶层 7.4.2电镀 7.4.3 CMP
Zhao
铝互连工艺流程
铝互连由干法刻蚀实现图形化
Zhao
铝互连与铜互连的比较
由于铜无法用干法刻蚀实现图形化，铜互连采用镶嵌工艺， 也称为大马士革工艺（Damascene). Zhao
第一层铜互连工艺流程(metal-1): 单大马士革工艺（single damascene)
7.4 铜互连工艺
7.4.1 阻挡层和铜仔晶层 7.4.2电镀 7.4.3 CMP
Zhao
CMOS 工艺制程中的互连制程
金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 接触
集成电路工艺中对光刻要 求最高的是Metal1. 通常metal1的pitch为一 个技术代的CD的两倍。 出于对CMOS电路寄生电 阻控制的考虑，需要采用高 电导率材料。 出于对CMOS电路寄生电 容的考虑，互连线之间的介 电材料需采用低介电常数材 料。 出于提高可靠性的考虑， 需控制互连线的电迁移。 90nm前为铝互连，之后 Zhao 为铜/low-k互连。
7.3 铜互连带来的技术挑战
7.3.1 铜扩散阻挡层 7.3.2 大马士革工艺
7.4 铜互连工艺
7.4.1 阻挡层和铜仔晶层 7.4.2电镀 7.4.3 CMP
Zhao
寄生电阻和寄生电容造成的延迟
寄生电阻
RC delay
寄生电容
Rvia 1 Rmetal 1
Cmetal
Zhao
Why Cu？电阻优势
铜的电迁移比铝材料小很多：铜的晶格扩散的激活能为2.2eV, 晶界扩散结合能在0.7到1.2eV之间；而铝分别为1.4eV和0.4-0.8eV.
电迁移：电迁移为什么重要？
电子在导电过程中会撞击导体中的离子，将动量转移给离子从而 推动离子发生缓慢移动。该现象称为电迁移。
在导电过程中，电迁移不断积累，并最 终在导体中产生分散的缺陷。这些缺陷 随后集合成大的空洞，造成断路。 因此，电迁移直接影响电路的可靠性。
采用铜互连可大幅降低金属互连线的电阻从而减少互连造成 的延迟。
Why Cu？电迁移优势
0 Ea / kT D 0 D0 e
Ea
0 D0
激活能 表观扩散系数，取决于 晶格振动频率与晶格几何结构 玻尔兹曼常数 8.6×10-5eV/K 温度
k T
Luce et.al (IBM)：IEEE IITC 1998
7.3 铜互连带来的技术挑战
7.3.1 铜扩散阻挡层 7.3.2 大马士革工艺
7.4 铜互连工艺
7.4.1 阻挡层和铜仔晶层 7.4.2电镀 7.4.3 CMP
Zhao
大马士革结构的填充采用电镀完成
阴极
阳极
连续化学液循环
Zhao
大马士革结构的填充采用电镀完成
以导电扩散阻挡层为电极无法实现完美填充。因此，需要淀积 一层铜籽晶层作为电镀阴极。 铜籽晶层目前仍采用PVD淀积。 电镀可实现完美填充。 电镀工艺与low-k介质有很好的工艺兼容性。 电镀通常可形成（111）方向的织构，因此有利于获得好的电 导率。 电镀有所谓“自退火（self-annealing)效应，可形成大的铜晶体 颗粒，有利于降低材料电阻率。
Zhao
Black’s 公式
MTTF( mean time to failure ）：平均失效时间
A ：常数 J: 电流密度 n：是模型参数 Ea： 激活能 k: 波尔兹曼常数 T：绝对温度（K)
互连失效时间跟电流密度的n次方成反比。 Ln(MTTF)跟激活能成正比，跟温度成反比。
Why low-K？
PVD Ta/TaN 扩散阻挡层和铜籽晶层 组合设备
例如： 应用材料 Endura 包含一系列 不同腔室： Degas Preclean Ta/TaN barrier Cu seed 等。
原子层沉积（ALD） TaN 扩散阻挡层
PVD 扩散阻挡层 的保型性差。易 造成电镀中形成 孔洞。
ALD TaN做为扩散阻挡层具有保型性高的优点。但ALD TaN Zhao 有电阻率过高的缺点。因此，提高PVD的保型性仍是研发重点。
7.5 铜互连发展现状和趋势
7.5.1 22纳米以下的新挑战 深宽比不断增加 阻挡层厚度极限 PVD的局限性 7.5.2 正在进行中的研发 PVD 工艺优化 新型阻挡层 籽晶修复层 自对准阻挡层 7.5.3 铜/钨混合接触和铜接触 7.5.4 结语
7.3 铜互连带来的技术挑战
7.3.1 铜扩散阻挡层 7.3.2 大马士革工艺
Low-k=低介电常数材料
Cs1~kA/d=kL k: 介电常数 L:平行线长度
采用低介电常数材料填充平行导线之间的空间可降低金属互 连线之间的电容从而减少延迟。
Low-K 材料：
氟硅玻璃（Fluorosilicate glass）掺F的SiO2 K< 3.9 to 3.5. 含碳氧化硅：K<3.0 SiOCH /CDO 多孔二氧化硅：K< 2.0 SSQ 多孔含碳二氧化硅： （主流工艺）
7.4 铜互连工艺
7.4.1 阻挡层和铜仔晶层 7.4.2电镀 7.4.3 CMP
Zhao
铜互连带来的挑战-铜扩散阻挡层
1）铜在SiO2中极易扩散，造成对硅器件的沾污： 增加SiO2的漏电流 增加结漏电流 降低了击穿电压
2）铜极容易氧化和被腐蚀； 3）铜与low-k间的粘附性很差。 要实现铜互连必须找到一种扩散阻挡层，将铜约束在互连结构中 ，同时实现防止铜的氧化或腐蚀、改善与介质的粘附性。
第七章
CMOS 后端工艺制程-铜互连
赵超
中科院微电子所 集成电路先导工艺研发中心
Zhao
内容：
7.1 绪论 7.2 摩尔定律对互连材料的要求
7.2.1 电导率和铜互连 7.2.2 电迁移 7.2.3 线间电容和low-k材料
7.5 铜互连发展现状和趋势
7.5.1 22纳米以下的新挑战 深宽比不断增加 阻挡层厚度极限 PVD的局限性 7.5.2 正在进行中的研发 PVD 工艺优化 新型阻挡层 籽晶修复层 自对准阻挡层 7.5.3 铜/钨混合接触和铜接触 7.5.4 结语
16.5
C. Zhao et. al. Microelectronic Engineering 84 (2007) 2669–2674
实验表明Cu在金属Ta和TaN薄膜中的扩散激活能很高，完全 满足扩散阻挡层的要求。 Zhao
内容：
7.1 绪论 7.2 摩尔定律对互连材料的要求
7.2.1 电导率和铜互连 7.2.2 电迁移 7.2.3 线间电容和low-k材料
7.5 铜互连发展现状和趋势
7.5.1 22纳米以下的新挑战 深宽比不断增加 阻挡层厚度极限 PVD的局限性 7.5.2 正在进行中的研发 PVD 工艺优化 新型阻挡层 籽晶修复层 自对准阻挡层 7.5.3 铜/钨混合接触和铜接触 7.5.4 结语
7.3 铜互连带来的技术挑战
7.3.1 铜扩散阻挡层 7.3.2 大马士革工艺
Thin initial interfacial layer to promote adhesion
Broadband UV radiation, 400C:
由CVD形成两项混合聚合物 紫外光照射使致孔剂挥发， 形成多孔材料。
• Porogen removal pores • Cross-linking • Enhancement of mechanical strength
Zhao
双大马士革工艺（Dual damascene)
Zhao
Zhao
Zhao
金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 通孔1 金属1 接触
Zhao
内容：
7.1 绪论 7.2 摩尔定律对互连材料的要求
7.2.1 电导率和铜互连 7.2.2 电迁移 7.2.3 线间电容和low-k材料
铜/Low-K可以满足器件小型化的要求
从90纳米技术代开始，铜/low-k的材料组合成为必须。 采用铜/low-k互连可大幅减小互连pitch，从而减少互连金属层数。
内容：
7.1 绪论 7.2 摩尔定律对互连材料的要求
7.2.1 电导率和铜互连 7.2.2 电迁移 7.2.3 线间电容和low-k材料
旋涂有机聚合物 旋涂含硅聚合物: hydrogen silsesquioxane (HSQ) 和 methylsilsesquioxane (MSQ).
Black Diamond(I,II,III)：
CVD沉积 SiCO matrix + organic species (ATRP= alpha-terpinene) Plasma, 260C
7.5 铜互连发展现状和趋势
7.5.1 22纳米以下的新挑战 深宽比不断增加 阻挡层厚度极限 PVD的局限性 7.5.2 正在进行中的研发 PVD 工艺优化 新型阻挡层 籽晶修复层 自对准阻挡层 7.5.3 铜/钨混合接触和铜接触 7.5.4 结语
7.3 铜互连带来的技术挑战
7.3.1 铜扩散阻挡层 7.3.2 大马士革工艺
7.3 铜互连带来的技术挑战
7.3.1 铜扩散阻挡层 7.3.2 大马士革工艺
7.4 铜互连工艺
7.4.1 阻挡层和铜仔晶层 7.4.2电镀 7.4.3 CMP
Zhao
内容：
7.1 绪论 7.2 摩尔定律对互连材料的要求
7.2.1 电导率和铜互连 7.2.2 电迁移 7.2.3 线间电容和low-k材料
7.4 铜互连工艺
7.4.1 阻挡层和铜仔晶层 7.4.2电镀 7.4.3 CMP
Zhao
PVD Ta/TaN 扩散阻挡层和铜籽晶层
PVD Cu 籽晶层（seed） PVD Ta/TaN Cu seed Ta TaN 介质 扩散阻挡层通常采用Ta和TaN双层结构： Ta靠近铜以获得大晶粒的铜仔晶层， TaN靠近介质材料以改善与介质的粘合力。
国际半导体技术路线图 2002年-互连
Zhao 90纳米之前采用铝互连，90纳米（~1998年）引入铜互连。
内容：
7.1 绪论 7.2 摩尔定律对互连材料的要求
7.2.1 电导率和铜互连 7.2.2 电迁移 7.2.3 线间电容和low-k材料
来自百度文库
7.5 铜互连发展现状和趋势
7.5.1 22纳米以下的新挑战 深宽比不断增加 阻挡层厚度极限 PVD的局限性 7.5.2 正在进行中的研发 PVD 工艺优化 新型阻挡层 籽晶修复层 自对准阻挡层 7.5.3 铜/钨混合接触和铜接触 7.5.4 结语
7.5 铜互连发展现状和趋势
7.5.1 22纳米以下的新挑战 深宽比不断增加 阻挡层厚度极限 PVD的局限性 7.5.2 正在进行中的研发 PVD 工艺优化 新型阻挡层 籽晶修复层 自对准阻挡层 7.5.3 铜/钨混合接触和铜接触 7.5.4 结语
7.3 铜互连带来的技术挑战
7.3.1 铜扩散阻挡层 7.3.2 大马士革工艺
Zhao
铜扩散阻挡层：金属扩散阻挡层
Cu Dielectric barrier Conductive barrier
铜互连结构应该处处被扩散阻挡层包围，一部分为介质阻挡层， 一部分为导电阻挡层。采用导电阻挡层的原因在于上下互连层之 间要联通，不能采用不导电的介质做阻挡层。
铜在各类介质中的扩散速率
内容：
7.1 绪论 7.2 摩尔定律对互连材料的要求
7.2.1 电导率和铜互连 7.2.2 电迁移 7.2.3 线间电容和low-k材料
7.5 铜互连发展现状和趋势
7.5.1 22纳米以下的新挑战 深宽比不断增加 阻挡层厚度极限 PVD的局限性 7.5.2 正在进行中的研发 PVD 工艺优化 新型阻挡层 籽晶修复层 自对准阻挡层 7.5.3 铜/钨混合接触和铜接触 7.5.4 结语
3nm layer 4nm layer 1E-16
D D 0 exp(Q / kT )
D (cm /s)
2
1E-17
Q=2.21eV=213 (KJ/mole) D =6.3X10 (cm /sec)
1E-18 13.5
o -3 2
Ta
14.0
14.5
15.0 1/kT (1/eV)
15.5
16.0