超深亚微米集成电路的铜互连技术布线工艺与可靠性

而且只需要进行导电金属层的ＣＭＰ工艺，所以减少了互连工艺的步骤和时间，使制造成本得以降低．图３给
出了通常采用的大马士革工艺流程．
图３ 双大马士革工艺
双大马士革工艺的具体步骤：１）淀积第ｌ层电介质层，进行化学机械抛光（最终的厚度就是通孔的深
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西安电子科技大学学报（自然科学版）

第３２卷
度）；２）进行氮化物的淀积；３）光刻形成通孔图形；４）通孔图形刻蚀（得到图３（ａ））；５）淀积第２层电介质层，进 行化学机械抛光（最终的厚度是金属线的深度）；６）光刻形成通孔和金属互连线的图形（得到图３（ｂ））；７）刻蚀 电介质层（得到图３（ｃ））；８）淀积阻挡层；９）填充ｃｕ金属（得到图３（ｄ））；１０）ＣＭＰ加工ｃｕ金属层（得到图３（ｅ））．
２ Ｃｕ互连技术中的可靠性问题
Ｃｕ互连技术的可靠性是一个重要的问题，涉及到电迁移、应力迁移、热循环稳定性、介电应力、热导率等 问题．
对于互连介质层（包括低ｋ材料、防止ｃｕ扩散的介质阻挡层材料），其可靠性问题涉及高电压应力、高的 温度循环应力、介质导热对介电性能的影响．对于互连介质材料来说，希望尽可能低的介电常数和尽可能高 的击穿特性．互连介质的可靠性特征通常与材料性质、制备工艺、材料和工艺的兼容性密切相关．对于互连材 料来说，必须保持稳定的电学性质（如平带电压和泄漏电流），其中研究在高的电压应力和温度循环应力的作 用下，介质材料的Ｃ－Ｖ和，．ｙ特性的变化是研究其电学稳定性的常用手段”．８ Ｊ．研究互连介质层Ｃｕ的污染、 应力迁移、温度循环、时间依赖的介电击穿（ＴＤＤＢ）特性是分析互连介质层可靠性的常用手段Ｌ９ｊ．
ｃｕ在Ｓｉ及其氧化物和低ｋ介质中扩散得非常快，这就需要一个势垒层来保护这些介质层．势垒层材料 包括了介质势垒层和导电势垒层，起着阻止Ｃｕ扩散、改善Ｃｕ与介电材料粘附性的作用，同时势垒层材料还 应该适合ＣＭＰ技术［５］．
介质势垒层需要有低的介电常数、好的刻蚀选择性和扩散性能．由于一般介质势垒层材料的介电常数比 低ｋ介质材料要高，为了尽可能减小因引入势垒层材料而带来的介质电容的增加，必需采用尽可能低ｋ值的 势垒 层材料．介质势垒层材料主要有ＳｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＯＣＨ等帕Ｊ．导电势垒层材料的作用是为了防止Ｃｕ的扩散，保 证有高可靠的电学接触，要求具有以下特点：（１）保形的通孔和沟槽淀积性能；（２）好的势垒性能；（３）低的通孔电 阻；（４）与Ｃｕ有好的粘附性；（５）与Ｃｕ的ＣＭＰ工艺兼容．目前研究的导电势垒层材料包括ＴｉＷ，ＴｉＮ，Ｔａ和ＴａＮｘ 等，其中Ｔａ和ＴａＮｘ被认为是较好的势垒层材料．对Ｔａ／Ｃｕ界面研究表明…，Ｔａ／Ｃｕ在４００℃下经过一个小时 的退火，在界面处会形成约３ｎｍ的非晶层，而这个非晶层的形成改善了Ｔａ／Ｃｕ间的粘附性．而且，非晶层的厚 度不会随着退火温度的增加而增加，它会在４ ｎｍ左右达到饱和，使Ｔａ／Ｃｕ界面非常稳定．
的大马士革工艺．提出当通孔倾斜角为２０。、Ｔａ为势垒材料时，能够有效地改善铜互连技术的势垒性能，
并且提高其可靠性．
关键词：铜互连技术；低五介质材料；工艺可靠性
中图分类号：ＴＮ４０５．９７
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—２４（）（）（２００５）０Ｉ一００５６—０４
Ｃｏｐｐｅｒ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ＶＬＳＩ
目前，集成电路技术已经发展到０．１５～０．０９扯ｍ．特征尺寸的缩小，导致了互连引线横截面和线间距的减
小，电阻、电容、电感引起的寄生效应严重影响了电路的性能，尤
其是互连线延时成为限制集成电路速度的主要因素，如图１所
示！ｌＩ．
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随着超大规模集成电路（ＶＬＳＩ）的发展，互连已成为确定集成
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电路性能、可靠性和成本的重要因素之一．为了减少互连线的 留
对于Ｃｕ互连线而言，电迁移和应力迁移特性、温度循环应力的影响是可靠性研究的主要内容ｕ ０＇Ｈ Ｊ．通 孔和沟槽引线中的空洞形成是造成电迁移失效和应力迁移失效和重要因素，通孔中空洞的形成与其底部的 阻挡层以及ｃｕ界面的缺陷有关．在无空洞的情况下，电迁移失效的位置主要发生在通孔的底部．在淀积ｃｕ 的过程中避免空洞的形成，是避免电迁移失效的重要因素．研究表明，通孑Ｌ的电流密度、温度以及温度梯度分 布随着通孔倾斜角和势垒层材料的变化有所不同：对于同一种势垒层材料，随着通孔倾斜角增大，通孔最高 温度下降，最大电流密度先降后升，在２００时最小，所以其工艺在２０。效果最好；在同一个倾斜角的情况下，对 于不同的势垒层材料，考虑电流密度、温度以及温度梯度，Ｔａ具有较好的性能．
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第ｌ期
杜 呜等：超深亚微米集成电路的铜互连技术布线工艺与可靠性
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１ Ｃｕ互连技术
ｃｕ的电阻率比Ａｌ低３５％，因此，Ｃｕ互连系统可使互连延迟减小４０％．同时，Ｃｕ互连线的功耗低，而且 Ｃｕ的抗电迁移特性要比Ａｌ高两个数量级，这可以提高集成电路的可靠性，如表ｌ［２ｆ．
表１ Ｃｕ互连与ＡＩ的特性比较
［２］陈智涛，李瑞伟．集成电路片内铜互连技术的发展［Ｊ］．微电子学，２００１，３１（４）：２３９． ［３］Ｗａｎｇ Ｙａｎｇｙｕａｎ，Ｋａｎｇ Ｊｉｎｆｅｎｇ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＶＩ．￥Ｉ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－－Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｋ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ
通孔的可靠性是可靠性研究的一个热点．通孔面积小、电流密度大、热效应明显、应力集中。通孔的高形 貌比使薄膜淀积台阶覆盖率差，通孔底部和侧壁淀积的金属薄膜是互连系统中可靠性的一个薄弱环节和失 效的敏感部位，需要进一步的研究．
参考文献：
［Ｉ］Ｓｏｎｇ Ｄｅｎｇｙｕａｎ，Ｚｏｎｇ Ｘｉａｏｐｉｎｇ，Ｓｕｎ Ｒｏｎｇｘｉａ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｐｐｅｒ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ＩＣ ａｎｄ Ｓｔｕｄｉｅｓ Ｏｉｌ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ［Ｊ］．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，２６（２）：２９－３２．
ＤＵ Ｍｉｎｇ，ＨＡＯ Ｙｕｅ （Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔ．ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｘｉｄｉａｎ Ｕｎｉｖ．，Ｘｉ ７ａｎ ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ｎｅｗ ｒｅｑｕｋｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｅｔｉｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ
万方数据
第１期
杜呜等：超深亚微米集成电路的铜互连技术布线工艺与可靠性
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３结束语
Ｃｕ作为一种新的互连金属材料，在布线工艺和可靠性等方面将面临一系列的挑战．Ｃｕ互连线／低ｋ介 质材料集成技术是一个主要方面．
材料方面，介质覆盖层是一个研究的重点．介质覆盖层可作为介质层之间的粘附层、ＣＭＰ工艺保护层、 防止污染和扩散的阻挡层（势垒层）等．若覆盖层的介电常数较大会导致大的互连电容．目前已经采用了具有 较低介电常数的材料，如ＳｉＣ，ＳｉＮ等作为介质覆盖层【１２，１３］，但是对它的粘附性、介质击穿以及ＣＭＰ等工艺还 需要仔细研究．在集成加工技术方面，Ｃｕ的ＣＭＰ是一个关键技术，仍然存在许多需要研究的问题．在未来的 Ｃｕ／低ｋ互连技术中，ＣＭＰ工艺过程还需要得到更好的控制．
在双大马士革技术中，通孔和引线填充淀积同时进行，填充金属层之前，首先要形成通孔和引线的图形． 由于在０．１８／．ｔｍ以下工艺技术中存在光刻工艺的套刻和对准误差，将会造成通孔电阻的增加或产率的损失， 所以需要对这种不重叠现象设置较高的容限［３】．目前的工艺方案主要有：自对准的双大马士革结构工艺、通 孔先形成的双大马士革结构工艺和沟槽先形成的双大马士革工艺Ｈ Ｊ．
ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅⅢｖ，ｌｅ ｏｆ ｖｉａ ｉｓ ２０。ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｒｒｉｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ Ｔａ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： Ｃｕ ｉｎｔｅｒｅｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ｌｏｗ☆ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｐｒｏｃｅｓｓ ｒｃｌｉａｂｉｌｉｔｉｅｓ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌｏｗ—ｋ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｂａｒｒｉｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ｃｕ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｂｅｌｉｅｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｒｒｉｅｒ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｃｕ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｂｅ ｈｉｇｈｌｙ
ＲＣ，可以增加互连线的横截面和线间距，这就会减少每一层布线 捌
单位内的连线长度，提高布线的层数．工艺步骤的增加，导致成本
的提高和成品率的下降．所以，采用新的低电阻率金属互连材料
和低介电常数介质材料（低ｋ介质材料）就成为提高互连性能的
有效途径之一．在现有的金属材料星，ｃｕ具有比Ａｌ更高的电导 率；此外，ｃｕ还具有比Ａｌ更好的电迁移特性．利用ｃｕ取代Ａｌ作
图１ 限制集成电路速度的主要因素
为互连线材料将改善集成电路的可靠性．
但是，由于ｃｕ的行为极其活跃，加之多层互连中平坦化和每层金属间必须形成良好的接触等问题，使
Ｃｌ－多层互连成为目前集成电路工艺技术中的重要研究问题．
收稿日期：２００４－０２．１０ 基金项目：国家８６３高科技项目支持研究项目（２００３ＡＡＩＺｌ６３０） 作者简介：杜鸣（１９７９．）．男，西安电子科技大学博士研究生．
ｃｕ虽然有比Ａｌ更好的互连性能，但是ｃｕ本身也存在～些问题：１）Ｃｕ是深能级杂质，所以对载流子有强 的陷阱效应．而且ｃｕ在Ｓｉ０２中扩散很快，使得Ｓｉ０２的介电性能退化，从而引起器件性能的退化甚至失效；２） Ｃｕ引线图形的加工问题．Ｃｕ在空气和低温下（低于２００。Ｃ）易氧化，而且不能形成保护层阻止其进一步氧化 和腐蚀１ ３｜．