深亚微米集成电路工艺中铜金属互联技术

铜技术也不再是美国一家独秀，从地区发布图 7 中 可以看出：目前亚洲已占世界铜生产线的半数以 上。 引入铜工艺技术，可以说是半导体制造业的一 场革命。由此带来了设计、设备、工艺、材料、可 靠性以及工艺线管理等方面的巨大变化。从技术层 面上来说，涉及工艺线后段从光刻、等离子刻蚀、 铜金属化、化学机械抛光（ ,&:） 、多层介质、清 洗，直到工艺集成的所有模块。 随着设计的进一步缩小，金属布线层不断增 加，随之而来的互联延迟也随之加大。据 7000 年 更新的半导体国际技术里程表（ $;<.）关于互联技 术的要求来看（表 !） ，随着工艺技术的不断提高， 金属层数不断增加， <, 互联延迟的影响将远远超
9E( .)5(-’6))(’5.)8 5(’E)6468F 6G %(5$4 /677(- 0&(2 .) H/ I.5E 2((7 &0J1%.’-6) 7-6’(&&.)8 .& .)5-620’(2 .) 5E( 7$7(- K 9E( G6’0& .& 6) 5E( L(F 7-6’(&& 6G .)5(-’6))(’5.)8 5(’E)6468F 6G %(5$4 ’677(-， .)1 ’402.)8 56 -(20’( 5E( 5.%( 2(4$F 6G ’677(- .)5(-’6))(’56-， %.’-617-6’(&&.)8 6G #$%$&’()( &5-0’50-(， /0 2.G1 （ *+#） ， /01&((2 4$F(-， (4(’5-674$5.)8 6G %(5$4 /0 4$F(- K N6%( -(1 G0&(2 J$--.(- JF 7EF&.’$4 M$76- 2(76&.5.6) %$-L& 6G .)5(-’6))(’5.)8 5(’E)6468F 6G %(5$4 /0 0&(2 .) H/ $-( $4&6 %()5.6)(2 K ；#$%$&’()( &5-0’50-(； *EF&.’$4 M$76- 2(76&.5.6)（ *+#） ； /0 2.GG0&(2 J$--.1 @%.7)’65： /677(-（ /0） (-； /01&((2 4$F(-； 34(’5-674$5.)8 种电阻率比 =4 更低的金属材料，减小金属互联线 的串联电阻，进而减小总的互联延迟效应。由于铜 具有较低的电阻率、优越的抗电迁移特性和高的可 随着超大规模集成电路（CONH）工艺技术的不 断进步，半导体器件特征尺寸不断缩小，芯片面积 持续增大，人们面临着如何克服由于连线长度的急 速增长而带来的 P/ 延迟的显著增加。特别是由于 金属布线线间电容的影响日益严重，造成器件性能 大幅度下降，已经成为半导体工业进一步发展的关 键制约因素。为了减小互联造成的 P/ 延迟，人们 一方面积极开发低介电常数介质材料，同时寻求一
)J< 工艺，特点是金属间介质层相当复杂，一般 有硬掩蔽层和氧化层或低介电常数介质层。典型的 复合氧化物介质层（ KL=）结构如图 5 所示，其上 下为硬掩蔽层，中间夹有两层介质，上介质层为金 属连线槽介质，下介质层为通孔介质层。
实际上，如何降低互联引起的延迟，答案决不 是简单的一句话能解决的。初期用铜代替 %& 合金， 特别是上层的较长连线和电源线部分。铜确实比 万方数据 %& 的电阻小 !+, 而且抗电迁移性能好得多，也就
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破，但无一例外地以失败而告终。正当人们为不同 地结构和几乎要改变所有的设备的时候，大马士革 工艺技术取得重大进展。!""# 年 " 月， $%& 宣布了 在生产线引入铜大马士革技术的消息。 &’(’)’*+ 紧 接着在 ,&-. 工艺中应用铜技术，并于 !""" 年 / 月开始批量供货。同一年， $%& 在 01!/ 2 的 3.$, ! 制造线上引入低介电常数材料，在有效沟道长度为 0104 2 的器件上，获得了速度加快 /05 和功耗下 ! 降 605 的优异成绩。 迄今为止， 世界上大约有 77 家半导体生产线采
［$］
微米金属布线和互联的明智选择。在 +-6. 4 以下 ! 各阶段正在并将更广泛地采用。单大马士革结构的 主要优点在于铜金属的刻蚀工序已不复存在，人们 不必去对付刻蚀引起的侵蚀、烧胶及胶的耐久性， 因为所有的微细加工都是对介质层（通常是氧化层 或低介电常数材料）进行的，目前，标准的铜金属 互联技术主要包括：大马士革结构细线条加工，铜 金属化，以及 )J< 平面化等工序。 5-6 法 如何实现大马士革结构的微细加工 人们 已 开 发 出 多 种 方 法 不 同 的 工 艺 方
总的流程步 骤，使 总 成 本 下 降 $+, 到 !+, 以 上， ［62］ 设备拥有成本也大幅度下降 。
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铜大马士革结构微细加工工艺
大马士革工艺和双大马士革工艺是公认的深亚
材料作连线，可以降低总的互联电阻，进而达到降 低互联延迟的目的。如何选择适合上述要求的金属 材料，表 $ 列出了常用的金属互联线材料的主要性 能
!" #$% &"#%’()""%(#*"+ ,%($")-)+. )/ 0%#1- 2)33%’ 45%6 *" &2 7*#$ 8%%3 9:;<=*(’)" >’)(%55*"+
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中的关键工艺，包括在器件中采用铜金属互联线以降低互联延迟，大马士革（ #$%$&’()(）结构 微细加工工艺，物理汽相淀积（ *+#）技术制备铜扩散阻挡层（ ,$--.(-）和铜子晶层（ /01&((2） ， 铜金属层化学电镀技术（ 34(’5-674$5.)8） ，对铜金属互联工艺集成方面的要点也作了一些探讨。 铜；大马士革结构；物理汽相淀积；铜阻挡层；铜子晶；电镀 文献标识码：= 文章编号：>""?1">;@（!"">）"A1">1"@ 中图分类号： 9:;"<
［.］ ［ 、7］ ［ 、6+］
。从表中可以看出， %& 是一种较好的导电材
料，实际上 %& 已经用了好几十年，但是 %& 的致命 弱点是抗电迁移性能差； %’ 的电阻率最高； %( 虽 然具有最低的电阻率，但是，抗电迁移性可靠性方 面表现较差。 )’ 在机械和电学特性两方面都有良 好的表现；电阻率仅为 %& 的 *+, 、熔点最高、热 功耗低、抗电迁移性能好（铜的激活能为 +-./0 1 。 %& 的激活能 +-2/0） 表$
前面提到的硬掩蔽层， 要具有防止铜扩散、 绝缘 性能好、 抗刻蚀 （高腐蚀选择比） 、 低介电常数、 与铜
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工艺及低介电常数材料兼容。美国应用材料公司开 发的低介电常数 !"# 材料 （称为 $%&’） ， 已被半 导体工业界广泛采纳， 其介电常数!* )+,， 大大低于 （ 。 !"- 的介电常数 !* .+/） 钨 （0） 金属一般作为连接有源区 1 多晶与第一 层金属的连线材料， 然后是单大马士革工艺， 与常规 工艺的不同在于， 在大马士革结构中铜金属线不是 用刻蚀的方法形成， 而是先把铜金属淀积到已经刻 好的介质槽 （ 2344567） 中， 用化学机械抛光 （ #89） 方 法把多余的铜抛掉。双大马士革和单大马士革结构 又有区别， 所谓 “双大马士革” ， 是指在第二层金属连
第A期
徐小城： 深亚微米集成电路工艺中铜金属互联技术
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!!!!!!!" 摘 要： 关键词： ?;5#’1(#：
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!!!!!!!" 综 述 "
深亚微米集成电路工艺中铜金属互联技术
徐小城
（上海华虹集团有限公司技术中心，上海 !"""!"）
本文介绍了铜互联技术在深亚微米半导体工艺中的应用，重点介绍了铜金属互联技术
［(/］ 线槽 （ :36;<=） 中还形成了通孔。据文献 报道， 采 ［()］
来， 同时把部分通孔方法中未刻蚀的部分一直刻到 最下面的硬掩蔽层。除胶之后就完成了双大马士革 结构细线条加工的制造过程， 转入铜金属化工序。
用 >3<= #=6?"<@A7 生产的 BC! D/// 系列双层胶， 成功 的实现了大马士革结构微细加工， 所谓双层胶包括： （(） 含硅的薄成像层， 主要提供高分辨、 对底层 高选择比； （D） 厚的底层胶， 提供平整性、 抗反射性、 填孔 性、 抗腐蚀性。 这种双层胶工艺的特点， 在于把对光刻胶的精 确成像要求与其他工艺要求 （例如， 抗反射、 平坦化、 耐等离子刻蚀等） 分离开来， 解决了双大马士革工艺 中最棘手的微细光刻问题。双层胶工艺流程示意图 见图 ,。首先， 涂上一层厚度很厚的底部胶 （ E%； F;G ， 这层胶是一种有机材料， 具有良好的抗反 H63A@563） 、 平坦性、 耐腐蚀性， 然后是厚 射性 （ I (J 的反射率） 度很薄的成像光刻胶 （ "?@2";2 A@K63） ， 与一般光刻胶 不同之处在于， 成像胶很薄且含硅材料， 因此具有很 高的腐蚀选择比。 )+D 双大马士革结构的形成 目前主要有两大类： 一种是通孔优先 （ L"@GM"37: ， 另一种是金属槽优先 （ :36;<=GM"37: @: @: :36;<= A656A） 。 :36;<= A656A） 所谓通孔优先法， 即先在复合结构上光刻出通 孔 （ 5"@） ， 并进行等离子刻蚀， 全部通孔对光刻胶的 要求比较高， 因为一次要把通孔刻到最低部的硬掩 蔽层上， 而部分通孔 （ N@3:"@AG5"@） 的方法是先把最上 面的硬 掩 蔽 ຫໍສະໝຸດ Baidu （ =@3H?@7O ） 和金属连线槽介质层刻 透， 但停在两层介质中间的硬掩蔽层上。通孔刻蚀、 除胶以后再进行金属槽的光刻。在完全通孔优先法 中， 通孔的底部要用有机材料保护起来， 以免在金属 槽刻蚀过程中把底部的阻挡层吃光。第二次光刻 （目的是刻出金属槽） 则在有一定形貌高度的硅片表 万方数据 面完成。在随后的等离子刻蚀中， 既把金属槽刻出
万方数据 收稿日期： !""> D >" D !;
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引言
靠性，越来越多地被半导体生产厂家应用。
!
铜金属互联技术的应用
虽然铜是一种非常有前途的金属互联材料，多
年来人们也一直在研究如何在半导体生产中使用铜 金属材料。特别是大马士革（ #$%$&’()(）工艺的 开发背景耐人寻味。一开始都想在铜刻蚀上取得突
图!
铜工艺线按技术分类
过晶体管栅延迟，从而占决定性的地位如图 / 所 示。 表! $;<. 互联技术要求
7000 年 $;<. 互联技术要求 年代 技术阶段 逻辑电路金属层数 层间介质— ? 有效 层间介质— ? 体值 阻挡层厚度（ =2） A<3& 金属层数 层间介质— ? 有效 来源： .B&3;B,C 700! !/0=2 # 71"—/16 71# !9 / 91! #—4 71"—/16 71# !/ /—9 /10—91! 4 717—71" 710 !7 9 /10—91! 7007 700/ 7009 "0=2 4 717—71" 710 !! 9 /10—91! 4—" !1>—717 !1/ !0 9 716—/10 7006 7004 >0=2 " !1> !1/ # 9 710—716 70!! 60=2 "—!0 @ !1> @ !1/ 6 9 710—716 70!9 /0=2 !0 @ !1/ !1! 9 9 710—71/
图! 栅延迟与互联延迟的关系
抛光（ )J<）在铜工艺线的成功应用，使得铜正在 逐步 替 代 铝 在 半 导 体 金 属 互 联 上 的 地
［!］ ［ 、5］ ［ 、2］ ［ 、*］ 位 。据预测由于铜大马士革工艺简化了
!
铜金属互联线是降低互联延迟目的 的主要途径
众所周知，" #! ! " #$ 其中： !：金属材料的电阻率 ! ：金属连线的长度 # ：金属连线的宽度 $ ：金属连线的厚度 从上述表达式可以看出，采用低电阻率的金属
［!］ 用了铜互联技术 。早期引入铜工艺是在 0176 2 ! 技术层次， 而现在绝大多数的铜生产 8 引导线多处于
图7
铜工艺线按地区分类
园 片 尺 寸 也 正 从 70022 转 01!4 2—01!/ 2 阶 段， ! ! 到 /0022。据 预 测， 在 01!/ 约 2 工 艺 技 术 阶 段， ! 到了 01!0 905 的逻辑电路生产线会用到铜工艺， 2 ! 则有 "05 的半导体生产线采用铜工艺 （图 !） 。另一 方面，
总之，铜金属互联、低介电常数材料、大马士 革结构（ A+2+DEF=F）业已成为在深亚微米阶段前 万方数据 段工艺的又一新的标志，并将发展成为超大规模集
成电路工业新的国际标准。
第*期
徐小城： 深亚微米集成电路工艺中铜金属互联技术
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是说，在集成度增加的情况下，铜能通过更大的电 流密度，然而，横向金属连线之间的电容的减小， 要用更薄的金属连线或者采用更复杂的工艺，例如 在金属连线之间加低介电常数的材料。 在半导体工艺上引入了大马士革结构，有机地 解决了光刻和刻蚀上存在的问题，物理汽相淀积 （<0=）设备和工艺的不断完善，并成功应用于阻 挡层（ >?@@A/@）和铜子晶（ )’BC//D）淀积，加上铜 电镀（ )’BE&/3F@GH&?FAI(）的不断完善以及化学机械
特性 电阻率（! "- 34） 熔点 原子重量 硬度（90） 热导率（: ; 34） 抗电迁移性 抗腐蚀性
［$］ 几中常用互联金属材料特性
。基本作法是在镶嵌有阻挡层 ; 刻蚀终
止层的复合结构金属间介质层（ KL=）上，形成通 孔和金属槽，最大的优点是只需一次铜回填和铜
)’ 6-86 6+.! *!-25 26 !-7. 高 低 图5 金属层间介质复合结构层示意图 %& $-5 **+ $*-7. 62 $-!. 低 高 %’ $-!2 6+*! 67*-7* $+—!+ !-62 高 很高 %( 6-27 7*+ 6+8-.* $2 5-$2 很低 低