Nederlands
Menu

Damascene versus subtractief etsen: procesvolgorde, metaal en CMP vergeleken

Bij door etsen gevormde interconnect (het subtractieve proces) wordt een metaallaag over het hele oppervlak gedeponeerd, wordt het overbodige deel met een resistpatroon droog weggeëtst en worden de ruimtes tussen de overgebleven lijnen met isolatiemateriaal gevuld; zo werd lang aluminium interconnect gemaakt. Het damasceneproces werkt in omgekeerde volgorde: eerst worden sleuven in de isolatielaag geëtst, dan wordt metaal erin gevuld en wordt het overtollige metaal met CMP weggepolijst. Koper vormt nauwelijks vluchtige verbindingen en is moeilijk droog te etsen, waardoor het damasceneproces de standaard werd voor koperinterconnect. Voor de allerfijnste lijnen wordt ook onderzocht om onder meer ruthenium door etsen te vormen.

KenmerkDamasceneprocesDoor etsen gevormde interconnect (subtractief proces)
ProcesvolgordeIsolatielaag deponeren → sleuven en via-gaten etsen → barrièremetaal en seedlaag → koper galvaniseren → overtollig materiaal met CMP verwijderenMetaallaag deponeren → lithografie → metaal droog etsen → ruimte tussen de lijnen met isolatiemateriaal vullen en vlakken
Wat wordt geëtstDe isolatielaagDe metaallaag
Belangrijkste metaalKoper (Cu)Aluminium (Al-Cu-legering). Voor de allerfijnste lijnen wordt ook onder meer ruthenium onderzocht
Vullen met metaalSleuven worden met elektrolytisch galvaniseren gevuld. In smalle sleuven is vullen zonder holtes (voids) een uitdagingHet volstaat om met onder meer sputteren een vlakke laag te maken
Vullen met isolatiemateriaalDe isolatielaag wordt eerst vlak gedeponeerd en is dus nauwelijks een probleemDe smalle ruimtes tussen de lijnen moeten zonder holtes met isolatiemateriaal worden gevuld (hiervoor werd onder meer HDP-CVD gebruikt)
CMPEssentieel. Polijst het koper en het barrièremetaal buiten de sleuven weg en scheidt zo de lijnen van elkaarNiet gebruikt voor de metaalbewerking. Gebruikt om de isolatielaag te vlakken
BarrièrelaagOm koperdiffusie te voorkomen worden bodem en zijwanden van de sleuf bekleed met onder meer TaN/Ta. Bij smalle lijnen neemt die een groter deel van de doorsnede inBij aluminium is diffusie nauwelijks een probleem; boven en onder worden lagen zoals Ti/TiN gestapeld
Vormen van via'sBij dual damascene worden de lijnsleuven en via's tegelijk gevuld en met één CMP-stap afgewerktVia's worden in een aparte stap geopend, met onder meer wolfraam gevuld en met CMP gevlakt, waarna de volgende interconnectlaag wordt gemaakt
Uitdagingen bij fijne lijnenBij smallere lijnen stijgt de soortelijke weerstand van koper (grootte-effect) en neemt ook het aandeel van de barrièrelaag toeDe nauwkeurigheid van het etsen van smalle metaallijnen en het vullen van de ruimte tussen de lijnen met isolatiemateriaal

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Damasceneproces
Voor koperinterconnect. Meerlaagse interconnect van geavanceerde LSI's, waarvoor lijnen met lage weerstand en goede bestandheid tegen elektromigratie nodig zijn.
Door etsen gevormde interconnect
Voor aluminiuminterconnect. Producten met weinig interconnectlagen of relatief brede lijnen. Voor de allerfijnste lijnen wordt het onderzocht als methode met onder meer ruthenium.
Trend
Geavanceerde LSI's maken vandaag het grootste deel van de interconnect met het koperen dual-damasceneproces. Voor de allerfijnste lagen wordt het vormen door etsen heroverwogen, met metalen waarvan de weerstand minder sterk stijgt en waarbij de barrièrelaag dunner kan.

Veelgestelde vragen

Waarom is koper moeilijk droog te etsen?

Omdat de koperverbindingen die ontstaan bij reactie met etsgassen zoals chloor nauwelijks vluchtig zijn en rond kamertemperatuur op het oppervlak achterblijven. Bij hoge temperatuur kunnen ze wel verdampen, maar resist en dergelijke houden dat niet uit, waardoor praktische bewerking moeilijk wordt. Daarom wordt koper in sleuven gevuld en met CMP in vorm gebracht.

Wat is het dual-damasceneproces?

Een methode waarbij in de isolatielaag zowel de lijnsleuven als de via-gaten naar de onderliggende laag worden gemaakt, die met één kopergalvanisatie tegelijk worden gevuld en met één CMP-stap worden afgewerkt. Dit vergt minder processtappen dan het single-damasceneproces, waarbij sleuven en via's afzonderlijk worden gemaakt.

Waar komt de naam damascene vandaan?

Van damasceren (inlegwerk), een decoratietechniek waarbij groeven in een metalen oppervlak worden gegraveerd en met een ander metaal worden ingelegd. De naam is gekozen omdat het vullen van sleuven in een isolatielaag met metaal op deze techniek lijkt.

Gaat men in de toekomst terug naar door etsen gevormde interconnect?

Niet volledig. Lagen met brede lijnen worden nog steeds met het koperen damasceneproces gemaakt. Voor lagen met zeer kleine lijnbreedte worden de stijgende soortelijke weerstand van koper en de dikte van de barrièrelaag een probleem, en daarom wordt onderzocht om metalen zoals ruthenium door etsen te bewerken.

Test uw begrip

Welke omschrijving van het damascene-proces, dat algemeen wordt gebruikt voor het vormen van Cu-bedrading, is juist?

  1. ADe Cu-film wordt rechtstreeks met droog etsen gepatroneerd
  2. BSleuven worden in een isolatiefilm gevormd, gevuld met Cu en het overtollige Cu wordt met CMP verwijderd
  3. CCu wordt thermisch geoxideerd om de bedradingsvorm te maken
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Sleuven worden in een isolatiefilm gevormd, gevuld met Cu en het overtollige Cu wordt met CMP verwijderd

Bij het damascene-proces worden eerst sleuven in de vorm van de bedrading in een isolatiefilm gemaakt, daarna worden een barrièrelaag en een Cu-seedlaag door sputteren aangebracht en wordt Cu door elektrolytisch plateren ingevuld. Ten slotte verwijdert CMP het overtollige Cu en de barrière aan het oppervlak, zodat de bedrading alleen in de sleuven overblijft. De naam komt van het oude Damascener inlegwerk, waarbij goud of zilver in uitgesneden sleuven in metaal wordt gezet. De methode waarbij sleuf en via in één keer worden gevuld, heet dual damascene.

Hoe heet de methode waarbij bedradingssleuven en vias gelijktijdig met Cu worden gevuld en met één CMP-stap worden gevormd?

  1. ASingle damascene
  2. BEtch-back-methode
  3. CDual damascene
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Dual damascene

Bij het dual damascene-proces worden in de isolatiefilm zowel viagaten als bedradingssleuven met lithografie en etsen gevormd, daarna in één keer gevuld met een barrièrelaag, seedlaag en Cu-plateren en met één CMP-stap afgewerkt. Vergeleken met single damascene, waarbij via en bedrading apart worden gemaakt, vervallen elk één depositie-, plateer- en CMP-stap, en doordat er geen barrièregrensvlak tussen via en bedrading ontstaat, is het ook voordelig voor weerstand en betrouwbaarheid. De varianten verschillen in of eerst het gat of eerst de sleuf wordt geopend.

Wat is de belangrijkste reden waarom het bedradingsmateriaal van geavanceerde LSI's van aluminium (Al) door koper (Cu) is vervangen?

  1. ADe soortelijke weerstand is lager en de weerstand tegen elektromigratie is ook hoger
  2. BHet is gemakkelijker te bewerken met droog etsen
  3. CDe hechting aan oxidefilm is zeer goed, zodat geen barrièrelaag nodig is
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. De soortelijke weerstand is lager en de weerstand tegen elektromigratie is ook hoger

Cu heeft een soortelijke weerstand van ongeveer 1,7 µΩ·cm, ruwweg 60% van die van Al (ongeveer 2,7 µΩ·cm), waardoor bedradingsvertraging en vermogen afnemen; door het hoge smeltpunt bewegen de atomen moeilijk, zodat de weerstand tegen elektromigratie ook meer dan een orde van grootte hoger is. IBM kondigde in 1997 massaproductie aan en vanaf ongeveer de 0,13 µm-generatie werd Cu de standaard. Cu vormt echter moeilijk vluchtige verbindingen, waardoor droog etsen lastig is, en diffundeert gemakkelijk in isolatiefilms; daarom wordt het met het damascene-proces gevormd en omgeven door barrièrelagen van onder meer Ta en TaN.

  1. Wat is het belangrijkste doel van een barrièremetaal zoals Ta of TaN bij Cu-bedrading?
  2. Wat is een juist voordeel van metalen zoals ruthenium (Ru), die als alternatief voor Cu voor fijne bedrading worden onderzocht?
  3. Welke reden om bij Cu-bedrading-CMP het polijsten gewoonlijk in meerdere stappen uit te voeren is juist?

Oefenvragen over Interconnectprocessen

Belangrijke termen uitgelegd

Damascene-proces
Methode waarbij sleuven in een isolatielaag worden geëtst, met metaal worden gevuld en overtollig metaal met CMP wordt verwijderd om bedrading te vormen. Wordt gebruikt voor Cu-bedrading.
Dual-damascene
Methode waarbij eerst bedradingsgroeven en via-gaten in de isolatielaag worden gemaakt en beide gelijktijdig met Cu worden gevuld en met één CMP-stap worden gevormd. Vermindert het aantal processtappen.
CMP
Chemisch-mechanisch polijsten. Het wafeloppervlak wordt vlak gemaakt door de chemische werking van de slurry te combineren met mechanisch polijsten met een pad.
Barrièremetaal (barrier metal)
Dunne metaallaag rond koperen bedrading die voorkomt dat koper in de isolatielaag of het silicium diffundeert. Bijvoorbeeld Ta of TaN.
Elektromigratie
Verschijnsel waarbij metaalatomen in de bedrading door de stroom worden verplaatst. Er ontstaan voids en hillocks, die onderbrekingen of kortsluitingen veroorzaken.

Verwante vergelijkingen