集成电路铜互连线及相关问题的研究

　　2=SimSun工艺及相关工艺问，讨论了阻挡层材料的作用及选取原则，对低材料的研究的进展情况也进行了简要i引言随着超大规模集成电路，151的发展，封装密度不断提高使电路元件越来越密，导致了181金属互连线的截面积和线间距持续下降。增加的互连线电阻尺和寄生电容使互连线的时间常数及大幅度提高。这时，1的速度将会从逻辑门延时时间控制转变为由互连线的时间常数穴，起主要控制作用1.如果仍采用目前的连线及的唯办法是增加互连线的截面积和线间距。然而这样会减少每层布线单位面积内的连线长度。若维持封装密度不变，则必须提高互连线的层数。据计算，0.13哗工艺1连线的层数将超过10层，互连线工艺步骤的增加将导致成品率下降。实际上，即使用较宽特征尺寸工艺彡35瓜实现10层以上的互连线布线也是困难的。显然，要从根本上解决上述问需要采用电阻率更低的金属作为互连线材料。同时，由于层间电介质厚度不断减少，层间电介质的介电常数也必须降低，以保持相同的电容，因此还需要开发低值电介质材料12.

　　女材料作互连线系统时，不同的特征尺寸所需的互连线层数3.

　　在这种需求背景下。近几年来，CU代替传统A1作为新的互连线金属成为固体电子学界的研究热点4，它将打破自扣问世以来六1直作为互连线材料了作为互连线材料的特点与面临的问简要讨论了阻挡层材料的作用及选取原则，对，1互连线工艺的实现方案及低皮材料的研究情况也进行了介绍恃尺寸酣2不同互连系统离要的金属屠数与特征尺寸的关系2，互连线的特点及面临的问邝作为夯チ，撸，肼料啾茸畲蟮挠诺闶秋档，电阻率比铝低35.，1不仅能直接降低互连线的电阻，而且还能改善的些其它的性能。例如，1互连线的功耗低，抗电迁移性能比41两个数麓级，使，目煽啃蕴岣叩据估计，由，代替后。

　　互连线的电阻降低40，若用低值电介质材料代替3后，可使寄生电容降低50，低灸值电介质材料系统能使1的速度提高4倍=因此人们认为，将成为下代1互连线材料然而，0，作为互连线柯料也存在着以下几方面问1在5；和氧化物中扩散相当快，旦进入汾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2是种稳定的金属，在干法腐蚀中，由于不能产生挥发性卤化物。闵而不能用常规等离子体腐蚀工艺制备互连线形3在空气和低温下2000易彀化，而且不能形成保护层来阻止自身进步被氧化和腐蚀6这就需要开发与六1完全不同的工艺来克服上述问，问的解决方案构成目前对互连线工艺研究的焦点，主要研究集中在防止扩散的阻裆层材料及0互连线形的制备上。

　　31互连线形制备工艺由于，1用于互连线时身的些问。在引线结构的设计上为防止，扩散，它必须按阻挡材料完全包封，而在工艺实现上又很难用现有的等离子腐蚀形成，1的互连线形0因此由爪从公司发明的种称为镶嵌工艺的，3互连线形制备技术被首先用在，互连线工艺中13是81制备的具有6层，チ，叩抹103电路这种技术根据互连形先通过光刻及反应离子刻蚀在需要互连芯片的介质上形成沟槽。沟槽内淀积，阻挡层Ta或TaN1然后把CU淀积添入沟梢中，接着进行金属化学机械抛光，去掉多汆的形成连线形还同时完成该层的平整化，*后在1上淀积层幻3钝化层镶嵌工艺又分为双壤嵌工艺和单镶嵌工艺。所谓双镶嵌工艺呤同时制备穿通孔及本层的工艺连线，而在单镶嵌工艺中它们是被分别制备的由于双镶嵌工艺比单，嵌工艺及目前基于材料去除的连线工艺减少了30的工序，因此双镣嵌工艺被广泛地应用在互连线的制备中斗给出了这神工艺的流程036展，1互连线，5电路，年月从看出，在介质层间有层薄的氮化硅膜，它起着腐蚀布线沟槽时的腐蚀阻挡层作用，同时也可以阻挡0扩散。众所周知，在入1互连线的制备中，刻蚀金属或介电层的腐蚀停止在阻挡材料层上如丁，通过适当的过腐蚀使刻蚀均匀。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，腐蚀深度是很难控制的，因为这时要求腐蚀深度要达到适当的中间位置。有了氮化硅腐蚀阻挡层后，就可以获得均匀的腐蚀深度。但氮化硅有高的介电常数，所以应尽量使氮化硅层薄，以避免增加层间电容。

　　由于双镶嵌工艺形成的连线是通过用真充在介质层中挖出沟槽来实现，不象入1连线那样是埤过刻蚀金属形成，因而避免了1连线工艺中较难这就需要选择种适合于镶嵌工艺的，淀积方法。目前使用的淀积方法有物理汽相淀积印，化学汽相淀积电化学淀积00，电离，00和电镀等。其中电镀是目前普遍使用的方法8，9，它具有优秀的间隙填充能力，高的淀积速率，低的淀积温度，系统简单及淀积过程易于控制等特点。但电镀需要籽晶层，并要求有连续导电的衬底，目前籽晶层由，或，制备。

　　4阻挡层和籽晶层在1互连线的制备过程中，金属腐蚀是关键工艺，因为它决定着互连线的线宽和间距。互连线的镶嵌工艺避免了互连线形的腐蚀，用较简单连线的线宽和间距。然而镶嵌工艺需要在高宽比较大的连线沟槽内淀积阻挡层籽晶层和Cu材料。

　　阻挡层起着阻止互连线01热扩散进入器件有源区及改善01与介电材料粘附性的双重作用，在选择阻挡层材料时应考虑这两个方面的因素。例如，如果阻挡层完全不与，反应，它对，原子扩散有优异的阻挡作用，但会与，的粘附性较差；若如果它很容易与，反应，尽管它与，有良好的粘附性，但起不到阻挡层的作用。因此，考虑良好的阻挡性和粘附性，理想的阻挡层材料与CU反应有个自限制范围。目前研究的阻挡层材料包括丁评，1队丁，丁化丁38等10.

　　丁和1被认为是比较优秀的阻挡层材料。

　　详细TaCu界面研究明，TaCu在400C下经小时的退火后，在界面处会形成约3！1的非晶层，非晶层的形成改善了1间的粘附性。进步的实验明，非晶层的厚度不会随退火温度的增加而增加，饱和在4出左右。当丁50073，1界面仍是相当稳定的。

　　e沟槽与通孔腐蚀后淀积阻挡层和籽晶层；f铜沉积；g铜CMP和顶层SiN淀积5⑶连线系统中低值电介质材料，口降低了互连线的电阻，但如果要大幅度降低互连线的时间常数及则需要在互连线层间和线间填充低灸值电介质3灸4，8102的值约为4，以降低互连线的电容。因此，与CU连线样，低灸值材料的的研究受到了人们的极大关注，开发了多种低值材料，1给出了这些材料的值和制备工艺13.从制备工艺上，低值材料可由旋转涂覆电介质500法或化学汽相淀积，0法制备。800材料的设备投资小，它的性质不是由淀积过程所决定，而是由淀积后的烘烤和热处理过程决定。大多数低灸值800材料需要有衬垫层以改善与基片的结合，在其上面还需要有覆盖层以抗潮湿，这样也利于01的使用。，6861是具有两相体系空隙率为75时，介电常数为1.8，丁1公司制成的，1互连系统比102系统的电阻和电容分别降低了30和14.

　　灸值制备工艺聚对苯甲基干凝胶制成的1氐灸值材料中，沿0是种有竞争力具有高的化学和机械稳定性，可用标准的，0获得。

　　6结束语来，这种工艺已陆续应用在微处理器高性能存储器及数字信号处理器中。例如，1998年末04宣布它们用Cu互连线生产了频率为400MHz的微处理器PowerPC740750系列以及嵌入式Power，它们也在3390，尺86000和8400系列微处理器中使用了，互连线工艺。1999年3月1宣布用，1互连技术生产出世界上*快的18.，价8等都宣布将有更多1产品采用0互连线。显然，互连线工艺将在，生产中起越来越重要的作用。

　　宋登元男，副教授，教研室主任。1982年毕业于河北大学电子与信息工程系。曾作为访问学者赴澳大利亚GRffFTH大学进修。已在国内外发，年月