铜互连技术[1]

第１３卷第３期
２００５年９月
鹭江职业大学学报
Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｌｕｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ）ｒ
Ｖ０１．１３
Ｎｏ．３
Ｓｅｐ．２０５
铜互连技术
王灵婕１，林吉申２
（Ｉ．厦门理工学院电子系，福建厦门３６１００５；２．福州大学物理与信患工程学院，福建福州３５０００２）
［摘要］在集成电路中采用双镶嵌工艺制备互连线，铜作为互连线的材料具有低电阻率和较好的抗 电迁移能力等优点，同时存在新的缺陷模式如沟槽缺陷、气泡缺陷、金属缺失等，目前的工作主要是该工
４．２
气泡缺陷．这种缺陷很大，肉眼可以看见．它是由于产生气泡而导致淀积率的改变，从而 金属缺失．金属缺失是Ｃｕ特有的缺陷，它是由腐蚀、颗粒的移动和过度抛光引起的．过
在该处产生缺陷．
４．３
度抛光产生缺陷的机理还不是很清楚，但是它和颗粒结构、表面张力、应力之间复杂的相互作用有 关．当ｃｕ在某一处超负荷，该处的温度升高，较大的温度梯度会加深这种缺陷．当温度升高，ｃｕ的 热膨胀大于介质层，结果就产生了压应力，导致ｃｕ内部的再结晶，而位错又造成结构松弛；当温度 降低时，Ｃｕ收缩，产生比周围大得多的张应力．
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艺的完善．
［关键词］集成电路；铜；互连线 ［中图分类号］７Ｉ＇Ｎ
３０５；ＴＮ ４０５
［文献标识码］Ｂ
［文章编号］１００８—３８０４（２００５）０３—００６０一０３
１
集成度提高后，Ａｌ互连线面临的问题
随着超大规模集成电路（ＶＬＳｌ）的发展，集成度不断提高，电路元件越来越密集，芯片互连成 为影响芯片的关键因素ｕ Ｊ．互连在芯片内的操作运行中起着重要作用，如传送逻辑信号，输送电源 以及分配时钟信号进行时序控制和同步操作等．由于互连线采用了更小的线宽的加工工艺，Ｖ璐Ｉ金 属化的层数不断增加，最大层数可达９层旧Ｊ．互连线的增加及其截面积的减少导致电阻的增大，线间 距的减少容易产生寄生电容，从而大幅度提高互连线的时间常数Ｒｃ．因此，集成电路（ＩＣ）速度由 逻辑门延迟转变为由互连线引起的时间延迟【１，２ Ｊ．除此之外，也增加了电路的交流功耗和信号串扰． 若仍沿用ＶＬＳＩ传统的ＡＬ／ｓｉＯ：系统互连线，为了降低时间常数就必须增大金属互连线的截面积 和线间距，这势必会影响芯片的集成度．要从根本上解决上述问题就必须开发新的互连线系统．人们 试图找出电阻率更低的材料来代替Ａ１．由于层间的电介质厚度不断的减少，层问电介质的介电常数 Ｋ也必须降低，以保持相同的电容．因此还必须开发低Ｋ值的电介质材料旧Ｊ． 铜是被认为是比较理想的一种侯选材料，许多大型集成电路制造厂家先后展开对铜互连线技术的 研究，截止２０００年世界上大约有２２家半导体生产线采用铜互连技术Ｈ１．１９９４年欧洲西门子公司赞 助一个名为ｃＯＩＮ的研究项目，重点研究铜互连线技术”１；１９９７年９月，ＩＢＭ宣布了在生产线引入铜 技术的消息；２００１年Ｉｎｔｅｌ公司已经采用铜互连技术生产了Ｏ．１３ ｕｍ的ＣＰｕ，２００２年，１１公司宣布开发 出了基于铜互连的０．０９ ｕｍ逻辑制造技术．诺发公司的客户整合中心用最优化的铜沉积工艺工具，成 功完成了Ｏ．０６５ ｕｍ水平以下的电镀集成∞１． ２
Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｗｏｒｅ Ｂｏｎｄ
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ＩＩ怕珊ａｔｉｏｎ Ｅｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ
Ｃｏｕｅｇｅ，Ｆｕｚｌｌｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｆｌｌｚｈｏｕ ３５０００２，Ｃｌｌｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｍｄｕｃｅｄ ｃｏｐｐｅｒ
ａｓ
ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｓ出ｅ ｍｅｔａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｉｔｓ
Ｃｏｐｐｅｒ
（１．ＥｌｅｃｔｍＩｌｉｃ Ｅｎ西ｎｅｅｒｉｎｇ
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Ｉｎｔｅｒｃ咖ｅｃｔｉ佃Ｔｅｄｆｌｎｏｌｏｇｉｅｓ
ＷＡＮＧ Ｕｎ９０ｉｅｌ，Ｕｎ Ｊｉ＿ｓｈｅｎ２
ＵＩｌｉＶｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
ＤｅｐａｎＩＩｌｅｎｔ，Ｘｉ锄ｅｎ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ｛；ｙ，Ｘｉ锄ｅｎ
３６１００５，Ｃｈｉｎａ；
５解决的措施
采用Ｃｕ作为互连材料已经成为现实，目前主要在于工艺的完善，特别是对图形的控制，其关键
万 方数据
鹭江职业大学学报
２００５年
在于控制阻挡层／籽晶层的淀积．阻挡层／籽晶层淀积技术的提高可以使工艺达到Ｏ．１０斗ｍ，甚至是 ０．０７斗ｍ，都是有可能的．通常采用以下几种方法来改进铜互连线的质量．①控制阻挡层的微观结 构．②热处理．这是消除缺陷的通常采用方法．很有必要避免ｃｕ由于超负荷而产生的温度的急剧上 升，温度控制在Ｔ≤２００℃才能保证ｃｕ弹性的扩张和伸缩．③退火．在Ｃｕ互连线中采用逐步退火工 艺以保持Ｃｕ的抛光率和较低的薄膜见阻率，和较好的抗电迁移能力等特性．但是现在的问题是退火 条件（温度、恒温时问、降温速度）的优化选择． 铜比铝具有较低的电阻率和较高的抗电迁移能力，被认为是深亚微米集成电路互连线技术进一步 发展的首选材料，其不易刻蚀和易扩散等缺点使互连技术中引入双镶嵌工艺．随着铜互连线工艺的成 熟，铜作为互连线在集成电路中起越来越重要的作用，而且正逐渐成为今后ＶＬＳＩ的主流技术． ［参考文献］
Ｓｔａｔｅ
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Ｉｍｐｒｏｖｅ
Ａ．ｃｕｎｎｉｎｇｈ锄．
Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ
４存在的问题
随着ｃｕ互连线应用于越来越小的器件，对其研究主要集中在缺陷的分析及消除．ｃｕ的缺陷模式 和过去传统的ＡＩ缺陷模式有很大的区别．
４．１
沟槽缺陷．这是铜互连线中出现的主要的缺陷，呈现旋涡状，常出现在沟槽上．是由于在
淀积ｃｕ膜之前，表面湿润不够引起的．因此籽晶层的淀积必须连续而且厚度均匀，如果籽晶层不连 续会影响后面Ｃｕ的淀积；如果籽晶层太厚Ｃｕ容易热扩散进人器件．
ｏｎ
ｌｏｗ ｒｅｓｉｓ协ｎｃｅ ｍｔｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｓｉｓｔ—ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉ铲ａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ，ｂｒｉｅｆｅｄ ｔ｝ｌｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ
ｎｅｗ
ｍｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ｃｕ，ａｎｄ
ｄｉｓｆｉｇｕｒｅｍｅｎｔ ａＪｌｄ ｉｔｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｕｃｈ
ＳｅＩｎｉｃ∞ｄｕｃｌｏｒ
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２０００．１２８—１４０．
Ｅ Ｂｒａｕｎ．
ｃｏｐｐｅｒ，ｋｗ—Ｋ
ｓｍｉｔｈ－
Ｍｅｔｒｏｌｏ韶Ｓｃａｌｅ ｔｈｅ
ｋ帅ｉｎｇ
ｃｕｒｖｌｅ［Ｊ］．
Ｉｎｔ锄ａｔｉｏｎａｌ，Ｊ吼ｅ
Ｉｎ－
［４］Ｖｉｃｔ耐ａ ［５］Ｔｏｒｒｅｓ
ｓｈａＩｌｎｏｎ，ｓａｙｉｄ ｃ．
ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｔｅｒｃｏ衄ｅｃｔｓ ｆｏｒ
ａｓ
ｇｒｏｏｖｅ ｄｉｓ６９ｕｒｅｍｅｎｔ，ｂｕｂｂｌｅ ｄｉｓｆｉｇｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ
Ｃｕ互连线的工艺
Ｃｕ的互连线工艺最早在１９９７年９月由ＩＢＭ提出来的，称之为镶嵌（Ｄ锄ａｓｃｕｓ）工艺哺１．并应
用于制备微处理器、高性能存储器及数字信号处理器等．它采用对介电材料的腐蚀来代替对金属的腐 蚀来确定连线的线宽和间距．镶嵌工艺分为单镶嵌和双镶嵌．他们的区别就在于穿通孔和本层的工艺 连线是否是同时制备的．由于双镶嵌工艺比目前Ａｌ连线工艺减少３０％的工序．因此，双镶嵌工艺被 广泛应用于Ｃｕ的互连线制备中． Ｃｕ工艺的主要流程：首先在芯片上先淀积氧化物介质，氧化物介质之间用ｓｉ，Ｎ。：凡薄膜隔离． 接着光刻，制作通孔图形，腐蚀部分通孔，并制备沟槽图形，沟槽需要有较大的高宽比．沟槽和通孔 腐蚀后淀积阻挡层和籽晶层．然后再进行ｃｕ淀积．接着进行金属化学机械抛光去掉多余的Ｃｕ．最后 淀积上一层Ｓｉ，Ｎ。钝化层． 介质问的ｓｉ３Ｎ。膜主要起腐蚀布线沟槽时腐蚀阻挡层作用，也可以阻挡ｃｕ的热扩散．在Ａ１互连 线中，金属或介质层的腐蚀停止在阻挡材料层上，通过适当的过腐蚀可以使刻蚀均匀．而在双镶嵌工 艺中，如果不在穿通孔和布线介质层间加入腐蚀阻挡层，腐蚀深度难以控制．腐蚀过度则会引起空 洞，即穿透介质层；腐蚀不足又会影响Ｃｕ的淀积．有了ｓｉ。Ｎ。阻挡层后，通过过腐蚀，就可以获得 较均匀的刻蚀深度．但是ｓｉ３Ｎ。的介电常数很高，所以应尽可能的薄，以免增加层间的电容．
［收稿日期］２００４—１１一０９ ［修回日期］２００５一０３—２４ ［作者简介］王灵婕（１９７９一），女，福建漳州人，助教，硕士，从事氨敏传感器研究
万 方数据
第３期
王灵婕等：铜互连技术
・６１・
ｃｕ作为互连线有其明显的优点，但也存在一些缺点：①ｃｕ在空气和低温下易氧化，且不能形成 保护层来阻止自身的进一步被氧化和腐蚀，因此必须在Ｃｕ的表面淀积一层保护层．②Ｃｕ是一种稳定 金属，不会产生挥发性的卤化物，因而在干法腐蚀中不能采用常规等离子体腐蚀工艺制备互连线图 形．目前采用的镶嵌工艺则是通过腐蚀介质材料来确定互连线的线宽和间距．这样就避免了对金属互 连图形的直接刻蚀．③Ｃｕ在ｓｉ和氧化物中扩散很快，一旦进入Ｓｉ器件中会成为深能级受主杂质，使 器件的性能退化甚至失效．因此必须在二者之间增加一层阻挡层，起阻挡Ｃｕ热扩散进入器件有源区 及改善ｃｕ与介电材料粘附性的双重作用．较好的阻挡层必须综合考虑材料对Ｃｕ的阻挡作用和粘附 性．阻挡材料如果完全不与ｃｕ反应，有很好的阻挡作用，但是与ｃｕ的粘附性就差；阻挡材料如果 容易与Ｃｕ反应，尽管它的粘附性很好，却起不了阻挡的作用．目前研究的阻挡材料包括Ｔｉｗ，ＴｉＮ， Ｔａ，ＴａＮ，Ｔａ—Ｓｉ—Ｎ等，Ｔａ和ＴａＮ被认为是比较理想的阻挡层材料¨ｏ． ３
［１］Ｔｓｕ—ｃｈａｎｇｋ，Ｊａｓｏｎ
［２］Ｒｙｕ
ｃ
ｃｏｎｇ．未来Ｉｃ中的互连设计［Ｊ］．电子工程专辑，１９９８，（３）：“・７４．
ｆｏｒ ｃｏｐｐｅｒ
ｋｅ
Ｈ，Ｋｗｏｎ Ｋ．ＢａⅡｉｅｒｓ
ｉｎｔｅｒｃｏＩｌＩｌｅｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ｓｏｌｉｄ
Ｓｔａｔｅ
１ｋｈｒｌｏｌｏｇｙ，１９９９，４２（５）：４３．
Ｃｕ作为互连线材料的特点
近几年，用ｃｕ代替Ａｌ作为新的互连线金属一直是研究的热点ＨＪ．铜的导电性比铝好，且电阻 率比铝约低３５％，能大大降低互连线的电阻，从而降低Ｒｃ时间延迟．ｃｕ除了低电阻率的特性外， 还有较好的抗电迁移能力和无应力迁移的特性．电迁移是金属有直流电流流过时金属离子被输送的现 象．在金属离子堆积的地方容易造成短路，而在金属离子缺乏的地方造成断路．随着集成度的提高， 互连线的间距越来越小，电迁移现象不容忽视．Ｃｕ抗电迁移能力比Ａｌ高两个数量级．因此采用ｃｕ 作为互连材料不仅能直接降低互连线的电阻，而且还能改善目前ＩＣ的一些性能及增强可靠性．