金属化是什么意思(金属化学)

导语：金属化（四）

低k介质材料

在双大马士革技术中描述，隔开两层金属的介质是二氧化硅。然而，对于高性能电路，这种材料存在一个问题。金属电阻（R）和电容（c）的联合作用就会使集成电路的信号变慢。这称为系统的RC常量。对电容因素的一个主要贡献是用于隔离金属层间的材料的介电常数，该层被称为中间金属介质(IMD）。二氧化硅的介电常数是3．9左右。根据SIA的国际半导体技术路线图，在2年的时间框架（参见下图）中，成功的电路要求k值低至1.5-2.0的范围内。除了介电特性外，IMD还必须有一些化学和机械的特性。它们包括热稳定性（随后的金属工艺能带着原来的膜通过一些高达450℃的热过程）、好的刻蚀选择性、无针孔、对耐受芯片应力足够的适应性和与其他工艺的可匹配性。

人们已经开发了一些低k介质材料以满足ULSI电路的需要。在下图中列出了这些材料及它们的介电数。主要分类是氧化硅基材料、有机基的和它们的变种。基于poIy（alylene）thers（PAE）或hydrido-organic siloxane polymers（HOSP）的有机材料具有可以旋转涂敷（spin-on）的优势。旋转涂敷工艺提供了优异的均匀性和平坦性，并比CVD工艺成本更低。

双大马士革铜工艺

从铝到铜金属化的转变不是一个简单的材料转换。铜有其自身的一系列问题和挑战。它不容易用湿法和干法技术刻蚀。铜与硅有大的接触电阻。它容易扩散穿透二氧化硅，并进人硅结构。在那里，它能使器件性能退化和产生结漏电问题。铜不能很好地黏附在二氧化硅表面，会引起结构问题。这些挑战导致一个独特的和高产能的工艺开发，该工艺专门用于克服铜的问题。它的特点包括光刻工艺、低k阻挡层/衬垫层工艺的开发、铜电镀和化学机械抛光工艺。

在前面，介绍了基本的大马士革工艺。大马士革工艺的概念很简单。首先用光刻工艺在介质层表面形成一个沟槽，并在沟槽里淀积所要的金属。般情况下，淀积的金属会溢出沟槽，这就需要CMP工艺来再次使表面平坦化（参见下图）。这个工艺可以实现优异的尺寸控制，因为它消除了典型的金属刻蚀工艺所带来的差异。

实际上，该工艺更复杂一点。下图描述了一个典型的连接两层金属的双大马士革工艺。它从已经有一层金属的地方开始。淀积一层低k介质并用CMP工艺对其平坦化。用图形化工艺在介质层中产生一个通孔。第二步图形化工艺导致介质降低，并在表面开出更宽的“台阶"（step back）槽。这个图形留下开口更宽的顶层盆，它可以允许足够的宽度为铜条携带要求的电路等级c这个顺序提供了填充通孔和形成铜金属导线一步完成的优势。基于这基本的双大马士革工艺有一些变种，每种都是一个窄的通孔和为金属填充而备的较宽的沟槽开口来结尾。

阻挡层／衬垫层

前面已提及铜容易扩散穿过二氧化硅层和如果它进到电路的器件里可能引起电性能问题。通过在通孔底部和侧面淀积一个衬垫层可以解决这个问题（参见下图）。使用的典型材料是钛（Ti）或钽(Ta)，例如，TiN、Ta、TaN和TaSiN0依据材料，或者使用溅射或者使用CVD淀积来产生阻挡层／衬垫层。这些通孔深宽比非常大，在整个通孔/沟槽内表面产生均匀的薄膜的工艺是个很大的挑战。

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