降低互联电阻的困难点

1.3降低电阻的困难点1.3.1降低电阻的困难点在近期,互连最困难的挑战是引进新材料以满足导线电导率要求和降低介电常数。在长期，必须减轻尺寸效应对互连结构的影响。尺寸控制对当前和未来的互连技术代是一个关键挑战，对蚀刻造成困难的挑战是采用低K介电材料形成精确沟槽和通孔结构以减少阻容变异。占主导地位的结构、镶嵌需要对图案、蚀刻和平坦化严格控制。当新材料如多孔低K电介质和ALD金属，在更紧密节距和更高深宽比（A/R）中发挥作用时，尺寸控制作为目前的挑战将变得更加重要。线条边缘粗糙度、沟槽深度和剖面、通孔边墙粗糙度、刻蚀偏置、由于清洗造成的减薄、CMP效应多孔低K空洞和边墙的交叉、阻挡层粗糙度和铜表面粗糙度等，都对铜线的电子散射有负面影响并导致电阻率的增加。互连层的增加，加上新材料的使用、特征尺寸的减小、与图案相关的工艺、替代性存储器材料的使用、光学和RF互连等因素，使得困难不断增加。高深宽比结构的刻蚀、清洗和填充，特别是低K双金属镶嵌结构和纳米级的DRAM，都是严峻的挑战。用于制造新结构的材料和工艺的结合，带来了集成的复杂度。互连层的增加使得热机械效应出现恶化。新器件/有源器件可能会加入到互连线上。3维芯片层叠由于能够提供功能的多样性，因而巧妙地克服了传统的互连按比例缩小的缺陷。满足成本目标，并且工程上可制造的解决方案的实现是关键挑战。铜互连线中的失效机理问题。铜互连线作为一种新技术，在材料、工艺、布线结构上均有别于铝互连线，所以有其特殊的失效模式和失效机理。如小尺寸接触和通孔的电迁移特性及热效应；多层互连中不同层互连线的电迁移行为；多层膜结构对电迁移的影响；不同膜淀积工艺对其本身晶体结构和相邻膜晶体结构、特性的影响等。这都需要一一研究

国际半导体技术发展线路图[Mxhp]向越总结创入新材料以满足导电性真求朝澤祗井电常歡符合寻电性和弁电常毀的新材料秤丄芒的快速乃|入的丹求给蕖辰和材御斡性帯来了桃战可制造性東成丄后1制迪且联结枸、丄艺和朝材料比成爼杂丿4川卩损枷，抗陆谗J4s介电常数的悔也°肌乏互理和曲装架枸粒汁愷化丄貝・叫黒件的町盘件新湘、籍构刹匸邑创造了新的芯片可梟性(电特tt、翩学社,机m>的展现a隠湫测试、建模以爲挖制先效矶制将虑为養饥豆连twt的.堆逹制(W^ll-ifS)整求能实现血徑杓电昭騎性和町洋挖连域边竦祖断河楼探崖刑轮廓+通化聆就、划烛偏％、根即洗悄况抽薄、化学机轉平坦化效应.新材稗，减少的持征尺、j和国瑋依飆的工岂等蚩屈怙件的复朶度产生「这杆閣挑战*制迢咸木和戒肚军可制犖1湘缺陪管理倦力需妾渺足整林的虞术和特性要事啟着特征尺寸脸繼水*互连丁莒-定赛与器杵戏牆路址图帽莊释，亜翹特定的晶岡尺寸卞满足制造目标.耳离了嵌旳、污染、熱预算、清洗的祸MRmL星陪容错工艺、消除蘇屮控制晶圜足主取其出的问曙<■在逍*的悄捉下..将0綜音的方式解抉辛局帝纯利制装口JSw五牛最重妥的挑战«lb[mJ■Mihp]甸题总詰时料at轻互连绚构尺寸效应的影血住9通孔的創壁机甜度，多扎低扎材料的扎洞1』刪壁交述・昭丹衣机槌应.満占闻柘馳怛会彤祠钏纱的电」：!！我井弓起电咀增扯iffS.王堆匝连功能的控制C衙它林1先的汁量》违缕辿线机屍哎，洵轉谋皿口轮打匚迪乩脳狀.訥浊衙用，根卅皆洗洁況臧臥化学机械平坦化效陆新材科、咸少的特征尺寸*1紺MSi敕的工艺和瞽化杵帝描胖的便用以忌止学和RF互连專爭层錨凸的恒杂准产牛了遠样的挑血7：2眉彩生応、洁洗一納腔尺度内齢充廉着特征尺寸的皓屮,卿加晴洗和期范爲深覓比结闰捋發变將层和提風件.朴别昆板k什质怒饿战靠屈弗构利纳聊娜的DRM-隼血痕杂件束成折丄也拘豺结粹“锂拈針型議卄互连捋材料和工莒结呑以制遒斎牯拘，创造山第iMJfe戍窥杂摊，小商巒抓舗肚观飪急剧用川1m学效血，新的内态器件可能晏铀入互淫、3维袪朮的虫用方怯确淀处理U络J.连结沟棚其他対皱间题的解决方案.$雒芯片J4遵通址提供强优舸砂樂寒样件.规囉了荷址帀连按比例螂水的不足"満足逹扭常成本目标的丄程制嬪解决方耒是或关輕的复建拯肪1.3.2现在需要解决的关键问题和方向a.扩散阻挡层铜在SiO2中极易扩散造成对硅器件的污染，增加对SiO2的漏电流，增加了结漏电流，降低了击穿电压。铜也很容易氧化和被腐蚀，增加了电阻值。在铜互连时代，根据大马士革工艺，铜的金属化是在阻挡层上进行的，因此阻挡层材料表面，铜与阻挡层之间的热反应、铜在阻挡层中的扩散、铜与阻挡层的结合力对电镀铜、铜膜形态结构、电性能和电阻值都有重大的影响。近年来，阻挡层主要由Ta、W、Ti等难熔金属和它们的氮化物TiN、WN、TaN等制作，淀积方法包括溅射、CVD等。在500°C以下，这些扩散材料均可起到对铜的阻挡作用，都表现出了比较好的热稳定性。由于这些阻挡材料的电阻率都比较大，阻挡层厚度应尽量减薄以减小其接触电阻。但扩散层如果减薄到一定厚度，将失去对铜扩散的有效阻挡能力。□AR随着尺寸缩小而增加口Cu扩散阻挡层的厚度有限加□AR随着尺寸缩小而增加口Cu扩散阻挡层的厚度有限加制.SriE以卜失效率会増•3nmALDTALIDTahlIhickineEG.|nm}PVDTa^ALDTaN阴诸层都具•仃约5nm的缩放限制7hao"Hi,MAM7C.G7,MFFF.i(11 :；007；FhiluruMechanismsoFPVD飞and屮ALDTaNBarrierLar/c^forClContactApplicaticns

而且随着深宽比的增大，阻挡层的沉积也变得越来越困难。得越来越大，但实际上只有铜才是真正的导体。例如，在65nm工艺时，铜导线的宽度和高度分别为90nm和150nm，两侧则分别为10nm,这意味着横截面为13,500nm?的导线中实际上只有8,400nm2用于导电，效率仅为62.2%。ALDoanWriMiPVDPVDALDoanWriMiPVDPVD护故皿描层的f呆型性差匸易造成电镀中形成孔洞"目前最有可能解决以上问题的方法是ALD和无种子电镀。使用ALD技术能够在高深宽比结构薄膜沉积时具有100%台阶覆盖率对沉积薄膜成份和厚度具有出色的控制能力，能获得纯度很高质量很好的薄膜。而且，有研究表明：与PVD阻挡层相比ALD阻挡层可以降低导线电阻，因此ALD技术很有望会取代PVD技术用于沉积

阻挡层。不过ALD目前的缺点是硬件成本高，沉积速度慢，生产效率低。线边缘粗糙度（LER）研究表面线边缘粗糙度（LER）也对纳米级铜线电阻有重要影响。All,号丄All,号丄J|7j缘粗糙度问题7 Fitiue2(Ofi)Pc^t-CMP7 Fitiue2(Ofi)Pc^t-CMP邀口职减n岭pireli训met啡靈土Jwiitisolid Imejepre^irtt^时誌fittoderive^psceiRjfbTifiruiapfah^rf^J^einc涉叙*§丄IH50riirtj占sw响变必须俑靈侧唯坡度以避免LERl-L'^恶化制程微缩下的金属互连中线边缘粗糙度（LER）会导致电阻率尺寸效应的恶化，可以通过调整侧壁坡度来降低LER对电阻率的影响。晶种层的PVD问题晶种层的PVD问题曲FavmM占±/a橡M#昭勺护在阻挡层之上淀积一层薄薄的晶种层来进行电镀，形成的晶种层要求有一定的厚度，并具有很好的连续性，中间不能有空位。但是，由于沟槽和通孔的形貌比较大，实现这一目标有一定的难度，在当前的铜互连工艺中，扩散阻挡层和铜种子层都是通过物理气相沉积（简称PVD）工艺制作。但是当芯片的特征尺寸变为45nm或者更小时，扩散阻挡层和铜种子层的等比例缩小将面临严重困难。首先，种子层必须足够薄，这样才可以避免在高纵宽比结构上沉积铜时出现顶部外悬结构，防止产生空洞；但是它又不能太薄，防止种子层不连续造成后续电镀铜无法生长，由于晶种层的空位而引起的电镀空洞是互连线急需要解决的问题之一。我们可以用更宽的沟槽距离+较厚的底部覆盖能改善沟槽填充，以及ALD沉积晶种层的方法减少晶种层产生的空位。-aqueuis-i」石羣gtirni迪P3tu鼎idtrfwehQprr<>n0HlghirCettcrrt$4¥Braa«Gapfillon2xnodeTrench-aqueuis-i」石羣gtirni迪P3tu鼎idtrfwehQprr<>n0HlghirCettcrrt$4¥Braa«Gapfillon2xnodeTrench1山山山"Ta:40W1D0O**Gw2&CW14tKM?.1QQA lOCmm结果证实了22纳米沟槽能够实现良好填充。铜附着性问题如果阻挡层与铜完全不反应，其阻挡作用很好，但附着性能差如果阻挡层与铜易发生反应，则附着特性很出色，但阻挡效果不佳所以，为了同时获得良好的阻挡特性以及与铜之间有良好的附着性理想的阻挡层材料应该和铜产生某种程度的自我限制反应。由于铜的粘附性比较差，引起电阻增加。有许多方法可以有效地改善介质界面的粘附性，包括机械处理，湿化学处理，光晕放电和辉光放电等离子处理。而这些处理最主要的目的就是出去表面的污染物，提高表面的活性。脉冲电镀在目前的集成电路制造中，芯片的布线和互连几乎全部是采用直流电镀的方法获得铜镀层。在电镀的条件下，凹槽内外电流密度分布不均匀，使凹槽内外镀层生长速度不一致，最终会导致空洞和缝隙形成。相比之下,脉冲电镀对电镀过程有更强的控制能力。脉冲电镀的主要优点有：降低浓差极化，提高了阴极电流密度和电镀效率，减少氢脆和镀层孔隙；提高镀层纯度,改善镀层物理性能，获得致密的低电阻率金属沉积层。自退火退火工艺条件的改变会影响铜原子晶格的大小，以及自退火的进程。如果退火温度过高，铜原子晶格过大，就容易产生空洞缺陷。电镀铜有自退火的特性，即长时间的等待会使晶粒慢慢张大，互相吞并，进行二次再结晶从而导致孔洞缺陷的产生。可以通过对电镀后到化学机械研磨之间等待时间的优化来减少电镀后孔洞缺陷的数量。铜氧化问题铜互连线表面的氧化问题。铜很容易在空气中氧化和硫化。如果铜被氧化，其电阻会直线