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重大共性工艺-铜互连共性工艺

重大共性工艺-铜互连共性工艺

 

在集成电路的工艺中,通过互连将器件连接从而形成电路。随着摩尔定律的发展,互连从起初的简单的单层互连结构发展到多层互连结构,其中互连金属和材料、互连集成工艺也发生了巨大的变化。在目前主流的65nm及以下工艺中,由于互连延迟占据整个电路的延迟中所占据的比例越来越大,需要采用金属铜和低介电材料。传统的介电材料是二氧化硅,介电常数(k)在3.9左右。通过在SiO2引入Si-F,Si-C键等弱极化健从而形成氟掺杂二氧化硅(k~3.7),碳掺杂二氧化硅(k~ 2.7)等,通过在碳掺杂二氧化硅中进一步引入微孔等能够继续降低介电常数到2.55左右。通过空气隙可以实现介电常数下降20%左右,这样介电常数可以下降到2以下。       

现有的铜互连的集成工艺是先在介质上形成沟槽,然后进行金属的淀积和金属的CMP。集成主要工艺工艺步骤见图-1:首先是介质的淀积见图-1a;此步通常是采用PECVD的方式进行低介电材料的淀积,如果是k为2.5左右的材料还需要进行UV 处理。2然后是光刻工艺:由于光刻工艺中波长的限制使得在28nm以下的工艺将采用双重曝光技术(图-1b);3.是介质的刻蚀工艺,在45nm以下通常采用All in One的一步刻蚀同时现场沟槽和通孔,然后是清洗过程(图-1c);4.     后续是阻挡层和籽晶层的淀积(图-1d),阻挡层由TaN/Ta两层材料组成,其中TaN可以防止铜的扩散,籽晶层是铜Ta,这一步通常采用PVD的淀积方式,在先进互连中新型材料Ru, Co,新型淀积方式ALD等也得到了应用。5是铜的电镀工艺(图-1e),为了实现无缝电镀,在镀液中将加入多种化学成分,如加速剂、平整剂、抑制剂等。6是铜的CMP(化学机械研磨)过程(图-1f),在镀铜工艺后,采用CMP的方式去除多余的铜。CMP工艺是采用研磨液进行的平坦化工艺。

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研发中心基于自有的铜互连设备已开发了55nm至14nm相关工艺,包括介质刻蚀、阻挡层/籽晶层淀积、铜电镀等,并实现了铜互连工艺集成(图-2)。

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空气隙工艺是结合现有铜互连进行经一步降低k值的工艺。空气隙工艺有多种实现方式,如侧墙空气隙、牺牲层的全局空气隙、介质Etch Back后的PECVD淀积利用PECVD的生产特性形成。研发中心采用同主流工艺一致的Etch Back PECVD的方式通实现了空气隙工艺,与参考条件相比,介电常数可以降低20%以上。具体工艺见图-3。

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