双大马士革工艺的发展及挑战

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墨础知识HOW TO MAKE A CHIP- 双大马士革工艺的发展及挑战 徐森林,应用材料(中国)公司 随蚕 墓 

素的推动,半导体工业从 原来的金属铝互连线工艺 发展成金属铜互连线,同 时低k值材料替代了二氧化 硅成为金属层问的绝缘介 质。金属铜减少了金属连 线层间的电阻,同时增强 了电路稳定性;低k值介 质则减少了金属连线层之 间的寄生电容。使用这些 图4 新材料的新型集成电路制造工艺被称为 “双大马士革工艺”,它的特点就是制 造多层高密度的金属连线从而使集成电 路更先进更高效。 由于金属铜不能形成可挥发的复 产物,金属铜线的形成不能通过传统 铝线工艺的减法刻蚀法实现。双大马 士革工艺的解决办法是通过先挖出柱 状的通孔,接着在金属层间的绝缘层 中挖沟槽,然后在孔和槽中同时填入 铜,再通过化学机械抛光工艺将铜磨 平到金属层间绝缘层的表面,这样就 形成了金属铜互连线。 双大马士革工艺有几种实现方 法:先刻沟槽法,先刻通孔法,自校 准双大马士革法。比较常用的方法是 先干刻通孔法。下面简单介绍先刻通 孔法的工艺流程。 首先硅片覆盖上光阻,曝光显影 、^n^n^,.SlChinamag.corn_+ 后干法刻蚀穿过表面硬阻挡层和层问 介质停在最底部的氮化硅阻挡层。其 中很重要的一点是通孔刻蚀不能把最 底部的氮化硅阻挡层击穿,否则阻挡 层下面的金属铜会被溅射到通孔中, 而且迅速渗入到层问介质中,导致器 件故障。 接下来通孔的光阻被去除,重 的介质被使用时双大马士革工艺仍然 面临着很大的困难。低k值介质材料通 常含有CH 碳氢化合物组,而且低k值 介质具有多孔性,因而k值低的薄膜非 常软,所以很容易被高能量攻击。随 着半导体技术进入65nm及以下,干刻 的工艺必须非常温和才能将光刻图形 最真实地转移下来,并最大可能避免 外形轮廓受损。 

图 图 介质掩膜双大马士革第二 

图5 图 层。 新铺光阻,曝光显影后形成沟槽的光 三层掩膜打开时最大挑战是必须 阻,其中有一部分光阻留在通孔中(图 保证最真实地把光掩膜的图形转移至 4),这部分光阻能够防止下半部分的 底部抗反射层,因为掩膜打开后剩余 通孔在沟槽干刻过程中被过分刻蚀。 的底部抗反射层在接下来的主刻蚀中 最后,进行钛、铜籽晶和铜的沉 是低k材料的阻挡层,只有当底部抗 积,并用化学机械抛光将铜平坦化。 反射层完全复制了光阻的图形后,才 如果先做沟槽,再做通孔,在沟 能避免在主刻蚀时沟槽变形。通孔中 槽完铺光阻时不可避免会有光阻堆积效 的剩余阻挡层在不同的图形下必须均 应,因为光阻会堆积在沟槽里,由于 匀,而且阻挡层的厚度不能太多或太 通孔显影区光阻过厚,曝光后的通孔图 少,以免主刻蚀后形成栅栏或琢面。 形容易偏差,这样给通孔干刻带来了很 为了让器件获得好的电特性,沟 大的难度。因此,先做沟槽的方法从 槽的侧壁必须笔直或者接近笔直。射 0.25um技术后就被淘汰了。自校准双 频能量、气体、压力对沟槽的形状都 大马士革工艺也因为校准工艺难度很大 有一定影响。但矛盾是,沟槽的形 被淘汰。先做通孔的工艺在使用SiO 、 状、不同图形的局部均匀性以及沟槽 FSG ̄I]另外一些早期低k介质的双大马 主刻蚀后形成的琢面这三者对射频、 士革工艺中取得了很大的成功, 气体和压力等的要求往往相反,所以 随着器件尺寸的不断缩小,要求 很难三全其美。 具有更小k值的介质。在一些极低k值 在65nm技术中,要求控制沟槽尺 

甲 维普资讯 http://www.cqvip.com 目础知识HOW TO MAKE A CHIP 寸的3倍标准方差在5—6nm以内,这对刻 蚀的技术水平要求极高。为了达到这 个要求,在腔体内的等离子体和原子 团必须非常均匀,才能使沟槽尺寸的 精度达到次纳米级。同时为了保证器 件性能,整个硅片上沟槽深度的均匀 性必须同时控制得非常好。 为了达到工艺要求,干刻设备也 经历了多次变革,现今已经达到比较 成熟的阶段。I;B ̄u应用材料的Enabler 机台是专为90nm以下技术开发的绝缘 体刻蚀设备。Enabler机台使用了三个 射频源,高频射频的使用降低了离子 能量最大程度减少了对低k介质的损 伤,可内外控温的反应电极更好地控 制了刻蚀速率和反应物余留在硅片不 同区域的均匀度,另外反应气体的流 量可内外调节比例,最大程度满足了 lI)、^aP柏州ng 、^a_h ^.NCitron lc) ̄RCILTOS—n 

(.)Td-layerOp.1'.曼旦 uniformity; 一loading; BARC recess lI}TrenchEtch.CD uni__ ̄ity;,faceUnq;-loading 图示65rim先刻通孔法三层掩膜双大马±革工艺 深度均匀性的要求。未来随着器件尺 寸的进一步缩小,相信无论是材料、 触B^Rc ̄ldp. hn."op¨ Low k damage 工艺流程还是工艺设备都会有不断的 创新和改进。0 

(上接P42页)CVS技术还可 以提供关于电镀中某些副产品 积累的信息。图6所示为潜在 加速剂副产品(MPS)对氩 (Ar)信号斜率的影响。 除精确性、可重复性和其 他统计参数之外,在分析TSV 镀液过程中,还有其他几个方 面需要考虑。包括分析所需的 时间,以及可替换部件和其他 消耗品的成本。当采用无添加 试剂技术则可实现低成本分 析。例如,结合使用质谱和电 化学技术可以容易地分析出无 机组分。采用这些技术可以快 捷地监控镀液的组分而且不必 使用添加试剂。在清除组分之 间的干扰时,这些方法并不需 要化学计量方法,这一点也很 重要。需要较强的分析信号, 不再不要关键的数学变换。 图7所示为通过无添加剂 方法测量酸成分的校准图。响 48 cvsUlIll 

起始MP8浓度(ppm) 图6.加速剂猁产品对氩信号斜率的影响。 

7 9 11 13 ■浓度 图7.质谱信号与镀液中酸浓度的线性关系。 15 应值是线性的,并且只与镀液 中酸的浓度有关。将无添加剂 方法与标准的酸/基液滴定分析 法比较,表2kB较了这两种方法 对比的统计结果。无添加剂方 法的表现与滴定法类似,也能 可靠地监控镀液中的酸。对铜 和氯也可以采用同样的方法。 采用无添加剂方法可实现对这 些无机离子的监控。 采用CVS方法时,消耗的 添加剂几乎可以忽略,并且每 次分析的用量不会超过1 mL。 CVS分析所用的添加剂与电镀 流程中使用的有机添加剂一 样,因此,并不影响分析的成 本。然而,镀液的消耗可能是 个问题。镀槽的容量会根据电 镀工具类型和工艺吞吐量的不 同而变化。这样,这种分析需 要设定出最低容量。当采用新 开发的样品算法和修改电化学 单元时就会发生这种情况。0 、^n^n^,.SlChinamag.corn 置 _ 纛 一- - 

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