半导体工艺（八）:金属互连技术

金属互连技术中材料的选用主要需要考虑以下4点特性：

1.电阻率  用电阻率低的互连材料有助于降低芯片的损耗以及降低RC延时。

2.淀积工艺的台阶覆盖率以及表面平整度  这主要是因为互连过程存在孔淀积，以及不止一层金属。

3.抵御电迁移能力强弱 电迁移指的是电子与金属原子发生碰撞，进行动量传递，导致金属原子在电流方向上发生移动，产生金属原子堆积，从而有可能导致互连线开路或者短路。

4.应力大小 应力系数小的材料对氧化物隔离层的粘附性比较好。

基于以上的考虑，结合金属互连线的结构特点，可以将其分为三类:

1.接触孔contact 和通孔via

2.金属互连线材料 Mx

3.金属阻挡层 barrier layer

接触孔填充

接触孔指芯片器件和第一层金属之间的连接通道。目前一般采用W钨作为填充材料，采用CVD方式淀积。因为它具有极强的填充高深宽比通孔能力，并且台阶覆盖率很好。

淀积过程分两步，第一步是用WF6和SiH4在400℃的条件下淀积一层W核附在侧壁和底面；第二步是WF6和H2在400℃的条件下淀积大量W。通过CVD技术淀积，W的生长是各向同性等比例，有效避免了空洞现象。

金属互连和通孔

金属互连最开始是采用Al，但是随着工艺节点不断缩小，Al的电阻率还是太大。目前采用Cu互连技术。

Cu之前没有采用的问题主要是由于1.很难粘附在硅化物上，2.Cu的扩散效应太强，3.没有有效的刻蚀Cu的方法。

现在的双大马士革工艺，CMP工艺以及阻挡层材料可以有效解决上述问题。首先通过刻蚀在金属间介质层形成通孔和槽，然后淀积阻挡层Ta和TaN，再通过离子化等离子体淀积Cu籽晶层，然后化学电镀ECP大量淀积Cu，最后CMP技术去除沟槽外的Cu，防止短路。

通孔via是指相邻金属层之间的连接通道，通过双大马士革工艺可以实现一次淀积和CMP就可以完成沟槽和通孔制作。具体这个工艺可以后面单独再写一节讲一下。

阻挡层金属

阻挡层金属主要是指在上下层材料之间形成隔离层，防止上下层材料相互扩散，并提高它们之间互相的粘附性。阻挡层金属的要求是低接触电阻，好的侧壁和台阶覆盖率，高阻挡性。

W的阻挡层是Ti和TiN，因为W不能很好的附在氧化硅表面，TiN可以改善这个问题，减小应力。Ti可以降低接触电阻，但是WF6和Ti会反应产生火山效应，导致CT和Si发生剥离，而TiN可以有效的阻止两者接触。

Cu的阻挡层金属是Ta和TaN，其中Ta可以有效减小接触电阻，TaN作为缓冲层。