第七章后端工艺

Zhao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7.3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7.4.3CMP7.5铜互连发展现状和趋势7.5.122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7.3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7.4.3CMP7.5铜互连发展现状和趋势7.5.122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ZhaoCMOS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，之后为铜/low-k互连。Zhao国际半导体技术路线图2002年-互连90纳米之前采用铝互连，90纳米（~1998年）引入铜互连。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7.3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7.4.3CMP7.5铜互连发展现状和趋势7.5.122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ZhaoRmetal1Rvia1Cmetal寄生电阻和寄生电容造成的延迟寄生电阻寄生电容RCdelayWhyCu？电阻优势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。Luceet.al(IBM)：IEEEIITC1998WhyCu？电迁移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.kTEaeDD/000aE激活能00D表观扩散系数，取决于晶格振动频率与晶格几何结构k玻尔兹曼常数8.6×10-5eV/KT温度Zhao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。MTTF(meantimetofailure）：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)Black’s公式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。Whylow-K？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=低介电常数材料Cs1~kA/d=kLk:介电常数L:平行线长度氟硅玻璃（Fluorosilicateglass）掺F的SiO2K3.9to3.5.含碳氧化硅：K3.0多孔二氧化硅：K2.0多孔含碳二氧化硅：旋涂有机聚合物旋涂含硅聚合物:hydrogensilsesquioxane(HSQ)和methylsilsesquioxane(MSQ).Low-K材料：SSQSiOCH/CDO（主流工艺）BroadbandUVradiation,400C:CVD沉积SiCOmatrix+organicspecies(ATRP=alpha-terpinene)Plasma,260CThininitialinterfaciallayertopromoteadhesion•Porogenremovalpores•Cross-linking•EnhancementofmechanicalstrengthBlackDiamond(I,II,III)：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。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。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7.3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7.4.3CMP7.5铜互连发展现状和趋势7.5.122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。铜扩散阻挡层：金属扩散阻挡层CuDielectricbarrierConductivebarrier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。Zhao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铜在各类介质中的扩散速率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。ZhaoTa导电扩散阻挡层的选择13.514.014.515.015.516.016.51E-181E-171E-16)/exp(0kTQDD3nmlayer4nmlayerD(cm2/s)1/kT(1/eV)Q=2.21eV=213(KJ/mole)Do=6.3X10-3(cm2/sec)C.Zhaoet.al.MicroelectronicEngineering84(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7.3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7.4.3CMP7.5铜互连发展现状和趋势7.5.122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（singledamascene)Zhao双大马士革工艺（Dualdamascene)ZhaoZhaoZhao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7.4.3CMP7.5铜互连发展现状和趋势7.5.122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PVDTa/TaN扩散阻挡层和铜籽晶层PVDCu籽晶层（seed）PVDTa/TaN介质CuseedTaTaN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。PVDTa/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：DegasPrecleanTa/TaNbarrierCuseed等。Zhao原子层沉积（ALD）TaN扩散阻挡层ALDTaN做为扩散阻挡层具有保型性高的优点。但ALDTaN有电阻率过高的缺点。因此，提高PVD的保型性仍是研发重点。PVD扩散阻挡层的保型性差。易造成电镀中形成孔洞。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7.3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7.4.3CMP7.5铜互连发展现状和趋势7.5.122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Zhao大马士革结构的填充采用电镀完成连续化学液循环阴极阳极Zhao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。大马士革结构的填充采用电镀完成Zhao自退火效应Zhao电镀vsPVDorCVD电镀：可实现bottom-up填充。PVD和CVD易造成锁颈（over-hang),导致不完全填充。Zhao籽晶层对电镀铜互连线的影响籽晶层织构对电镀层的织构有直接影响。籽晶层的薄膜粗糙度对电镀层的织构和晶粒尺寸有直接影响薄的PVD籽晶层通常具有很强的（111）织构和平滑表面，保证电镀层具有很强的（111）织构和大晶粒尺寸。Zhao铜的晶粒大小对电迁移的影响Zhao电镀添加剂在铜互连电镀液中，除了CuSiO4外还有各种添加剂。添加剂包含有机分子和氯化物离子。他们会吸附于铜表面以改善均匀性和填充，同时控制铜的晶粒尺寸。添加剂包括：表面光亮剂：吸附于铜表面，参与电荷交换反应；表面平整剂（levelers)：抑制表面前凸体的生长；载荷剂：吸附于铜表面以生成较厚的单层薄膜。通过形成对铜+2离子向表面扩散的阻挡层来实现对铜淀积的适度极化。氯化物：吸附于阳极和阴极表面，在阳极表面蓄积，可促进阳极的溶解。Zhao添加剂的作用晶圆刚