鑲嵌製程與蝕刻成形導線的差異:製程順序、金屬、CMP、微細導線比較

以蝕刻成形的導線(減成法),是在整面沉積金屬膜,以光阻圖案為遮罩用乾式蝕刻去除不需要的部分,再以絕緣膜填入剩下的導線之間,長期用於鋁導線。鑲嵌製程的順序相反,先在絕緣膜上蝕刻出溝槽,填入金屬後,再以 CMP 磨除多餘的金屬。銅不易形成容易揮發的化合物,難以乾式蝕刻,因此鑲嵌製程成為銅導線的標準。在最細的導線上,也在研究以蝕刻將釕等金屬成形的方法。

項目鑲嵌製程以蝕刻成形的導線(減成法)
製程順序沉積絕緣膜 → 蝕刻溝槽與介層窗孔 → 阻障金屬與晶種層 → 鍍銅 → 以 CMP 去除多餘部分沉積金屬膜 → 微影 → 乾式蝕刻金屬 → 以絕緣膜填入導線之間並平坦化
蝕刻的對象絕緣膜金屬膜
主要金屬銅(Cu)鋁(Al-Cu 合金)。最細的導線也在研究使用釕等
金屬的填入以電鍍填滿溝槽。在細溝槽中無孔洞(void)地填入是一大課題只需以濺鍍等方式形成平坦的膜
絕緣膜的填入絕緣膜先平坦地沉積,因此不太會成為問題必須以絕緣膜無縫隙地填入狹窄的導線之間(過去使用 HDP-CVD 等)
CMP必需。磨除溝槽外的銅與阻障金屬,將導線一條條分開不用於金屬的加工。用於絕緣膜的平坦化
阻障層為防止銅擴散,以 TaN/Ta 等覆蓋溝槽的底部與側壁。導線越細,在截面中所占的比例越大鋁不太有擴散問題,在上下疊加 Ti/TiN 等膜
介層窗的製作方式雙鑲嵌製程中,導線溝槽與介層窗同時填入,以 1 次 CMP 完成介層窗以另外的製程開孔,以鎢等填入並以 CMP 平坦化後,再製作下一層導線
微細導線的課題線寬變細時,銅的電阻率上升(尺寸效應),阻障層的比例也增加以蝕刻加工細金屬線的精度,以及以絕緣膜填入導線之間是課題

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

鑲嵌製程
製作銅導線時。需要低電阻且耐電遷移之導線的先進 LSI 多層導線。
以蝕刻成形的導線
製作鋁導線時。導線層數少的產品,或較粗的導線。在最細的導線上,也作為使用釕等的方法進行研究。
趨勢
目前的先進 LSI,大部分導線以銅的雙鑲嵌製程製作。在最細的層中,正在重新評估以蝕刻成形電阻上升幅度較小、阻障層可以較薄之金屬的方法。

常見問題

為什麼銅難以乾式蝕刻?

因為銅與氯等蝕刻氣體反應所形成的化合物不易揮發,在室溫附近會殘留在表面。提高溫度雖能使其揮發,但光阻等材料無法承受,難以進行實用的加工。因此,銅是以填入溝槽並用 CMP 的方式成形。

什麼是雙鑲嵌製程?

在絕緣膜上同時做出導線的溝槽,以及連接下層的介層窗孔,以 1 次鍍銅同時填入,並以 1 次 CMP 完成的方法。比分別製作溝槽與介層窗的單鑲嵌製程更能減少製程步驟。

鑲嵌這個名稱的由來是什麼?

源自在金屬表面刻出溝槽再嵌入其他金屬的鑲嵌(象嵌)裝飾技法。由於在絕緣膜的溝槽中填入金屬的製程與這種技法相似,因而得名。

今後會回到以蝕刻成形的導線嗎?

並不會全部回到這種方式。較粗的導線層會繼續以銅的鑲嵌製程製作。在線寬非常小的層中,銅電阻率的上升與阻障層的厚度成為問題,因此正在研究以蝕刻加工釕等金屬的方法。

理解度檢測

關於Cu導線形成時一般採用的鑲嵌法(damascene),下列說明何者正確?

  1. A以乾式蝕刻直接對Cu膜進行圖案化
  2. B在絕緣膜上形成溝槽後填入Cu,再以CMP去除多餘的Cu
  3. C將Cu熱氧化以形成導線的形狀
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正確答案:B. 在絕緣膜上形成溝槽後填入Cu,再以CMP去除多餘的Cu

鑲嵌法是先在絕緣膜上挖出導線形狀的溝槽,以濺鍍沉積阻障層與Cu晶種層後,再以電鍍填入Cu。最後以CMP磨除表面多餘的Cu與阻障層,導線便只留在溝槽之中。其名稱源自古代大馬士革在金屬上雕刻溝槽、鑲嵌金銀的工藝。同時填入溝槽與導孔的方法稱為雙鑲嵌法。

同時以Cu填滿導線溝槽與導孔,並以1次CMP完成的方法稱為什麼?

  1. A單鑲嵌法
  2. B回蝕法
  3. C雙鑲嵌法
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正確答案:C. 雙鑲嵌法

雙鑲嵌法是以微影與蝕刻在絕緣膜上同時形成導孔的孔與導線的溝槽,再以阻障層、晶種層與Cu電鍍一併填入,最後以1次CMP完成。與分別製作導孔和導線的單鑲嵌法相比,沉積、電鍍與CMP各少一次,導孔與導線之間也不會產生阻障層界面,因此在電阻與可靠度方面也較有利。依先開孔還是先開溝槽,方式可再區分。

先進LSI的導線材料從鋁(Al)改為銅(Cu),主要原因為下列何者?

  1. A電阻率低,且抗電遷移能力也高
  2. B容易以乾式蝕刻加工
  3. C與氧化膜的附著性極高,不需要阻障層
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正確答案:A. 電阻率低,且抗電遷移能力也高

Cu的電阻率約為1.7 µΩ·cm,約為Al(約2.7 µΩ·cm)的6成,可減少導線延遲與功耗;熔點高、原子不易移動,因此抗電遷移能力也高出一個數量級以上。1997年IBM宣布量產,約從0.13 µm世代起成為主流。另一方面,Cu不易形成揮發性化合物,乾式蝕刻困難,且容易擴散進絕緣膜中,因此以鑲嵌法形成,並以Ta或TaN等阻障層包覆後使用。

  1. Cu導線設置Ta或TaN等阻障金屬,主要目的為下列何者?
  2. 作為取代Cu的微細導線材料而被研究的釕(Ru)等金屬,其優點下列何者正確?
  3. 在Cu配線的CMP中,一般將研磨分成數個階段進行的原因,下列何者正確?

前往配線製程的練習題

相關名詞的解說

鑲嵌製程
在絕緣膜上挖出溝槽並填入金屬,再以CMP去除多餘金屬而形成導線的方法。用於銅導線。
雙鑲嵌製程
在絕緣膜上製作導線的溝槽與導通孔的孔洞後,同時以銅填入兩者,並以一次CMP完成的方法。可減少製程步驟。
CMP(化學機械研磨)
化學機械研磨。結合研磨液的化學作用與研磨墊的機械研磨,使晶圓表面平坦化。
阻障金屬
設置在銅導線周圍,防止銅擴散進絕緣膜或矽中的金屬薄膜。如Ta或TaN等。
電遷移
導線中的金屬原子因電流而移動的現象。會產生空洞與小丘,造成斷線或短路。

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