一文详解铜大马士革工艺

中科院半导体所 2025-02-07 934

描述

文章来源：学习那点事

原文作者：赵先生

本文主要介绍铜大马士革工艺

概述

铜相较于铝，展现出较低的电阻率（铜为1.67微欧·厘米，铝为2.67微欧·厘米）和更强的电迁移抗力（铜的晶格与晶界扩散能分别为2.2eV和0.7至1.2eV，而铝则分别为1.4eV和0.4至0.8eV），赋予了它更高的可靠性。铜也有显著的短板：首要的是粘附力弱，难以紧密贴合硅基板，易于剥离；其次，铜易渗透至硅及其化合物中，可能引发集成电路失效；再者，铜在空气中易于氧化，且形成的氧化层不够紧密，无法有效防止进一步氧化；最后，缺乏高效的铜刻蚀手段。所以在较长一段时间内，铝及其合金因能满足集成电路互联需求而得以广泛应用。

但随着技术迭代，晶体管尺寸持续缩减，电阻电容（RC）延迟已成为制约集成电路性能的关键因素。在90纳米及以下工艺节点，铜开始作为金属互联材料取代铝，同时采用低介电常数材料作为介质层，这一转变主要依赖于铜大马士革工艺（包括单镶嵌与双镶嵌）与化学机械抛光（CMP）技术的结合。

大马士革镶嵌工艺原指将贵金属嵌入其他金属中制作艺术品，铜互联线则借鉴此理念，先在介质层上刻蚀出沟槽和孔洞，再填充铜，随后通过CMP技术去除多余的铜，形成所需电路图案，从而绕开了铜刻蚀难题。与传统铝互联工艺相比，铜互联工艺有望减少20%至30%的步骤，简化流程，降低成本，减少生产错误，对大规模芯片生产极为有利。

在当前的后端工艺中，第一层金属层M1主要采用单镶嵌工艺，而M2至Mx层因涉及通孔层与金属层，故多采用双镶嵌工艺，即同时形成两层结构。双镶嵌工艺又可细分为先通孔、先沟槽和自对准三种类型。

单镶嵌工艺

以下以M1金属层沉积为例，简述单镶嵌工艺。整个M1工艺流程可详细划分为薄膜沉积、图案曝光与显影、介质层蚀刻、阻挡层构建、种子层沉积、铜电镀以及化学机械抛光等多个关键环节。本文将逐一深入解析每个步骤的具体内容。

(1)如图1所示，首先在接触孔上方，利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，依次沉积了氮掺杂碳化硅（NDC，即SiCN）层、金属间介质（IMD）层以及四乙氧基硅烷（又称正硅酸乙酯，TEOS）层。其中，NDC层作为蚀刻阻挡层，不仅充当介质层蚀刻的终止层，还能有效阻止铜原子的扩散；IMD层则采用了低介电常数（low-k）材料，作为金属线之间的绝缘介质；而TEOS层则作为黏附层，覆盖在低介电常数的硅氮烷聚合物（如Black Diamond，BD）之上，增强了底部抗反射涂层（BARC）与BD层之间的黏附力，避免了薄膜剥落的风险。

图1：沉积薄膜层

(2)如图2所示，旋涂BARC和光刻胶(PR),并进行曝光显影。

图2：旋涂BARC和光刻胶(PR)

(3)进行M1层的蚀刻。如图3所示,通过一步蚀刻工艺,同时穿透TEOS/BD/NDC层，形成了M1沟槽。这一过程中，需要确保蚀刻穿透阻挡层，使接触孔（CT）中的钨（W）暴露出来，以便与后续的M1层实现电气连接。在此过程中，有几个关键参数需要特别注意，包括层间介质（ILD）的损失量、氮化钛（TiN）的残留量以及侧壁的角度。

图3：M1刻蚀

(4)沉积金属阻挡层TaN/Ta，如图4所示。这一步骤的目的是为了阻止铜原子向介质层中的扩散，同时提供良好的电接触和机械支撑。

图4：沉积金属阻挡层

(5)进行铜金属互连层的沉积。这一过程主要分为三个步骤：首先是铜种子层的生长，为后续的铜电镀提供必要的导电基础；接着是铜的电化学镀膜（ECP）工艺处理，通过电化学方法将铜沉积在种子层上，形成所需的铜互连线；最后是铜的化学机械抛光（CMP）工艺处理，通过机械和化学的双重作用，去除晶圆表面多余的铜材料，得到平整、精确的铜互连图案，如图5所示。

图5：沉积铜金属互连层

双镶嵌工艺-先通孔(via first)

在双镶嵌工艺体系中，先通孔技术遵循的是先形成通孔，随后开辟金属沟槽的顺序。以M2金属层的制作为例，该技术的核心步骤涵盖薄膜沉积、通孔的光刻与刻蚀、金属沟槽的光刻与刻蚀、阻挡层的沉积、种子层的沉积、铜的电镀以及化学机械抛光等。(1)如图6所示,依次沉积NDC、TEOS、IMD、TEOS层。

图6：薄膜沉积

(2)接着进行通孔的光刻步骤，如图7所示。此环节涉及底部抗反射涂层（BARC）和光刻胶（PR）的旋涂，以及后续的曝光与显影处理。

图7：通孔的光刻处理

(3)进行通孔的刻蚀，直至抵达NDC层，并保留一定厚度的NDC作为刻蚀停止层，如图8所示。

图8：刻蚀通孔

(4)在填充BARC后，我们沉积了低温氧化硅（LTO）层，该层作为后续蚀刻的硬掩模，如图9所示。然而，由于BARC的填充，后续沟槽蚀刻过程中通孔内可能残留BARC，这是先通孔技术的一个固有缺陷。

图9：刻蚀填充

(5)进行沟槽部分的曝光显影，如图10所示。

图10：沟槽曝光显影

(6)进入沟槽刻蚀阶段，如图11所示。此过程需先形成沟槽，再清除通孔内的BARC残留。沟槽的深度需通过精细调整蚀刻工艺配方来控制，对蚀刻工艺提出了更高要求。为了实现更精准的深度控制，可在BD层中嵌入如氮化硅（SiN）层等蚀刻阻挡层，以限制沟槽蚀刻深度，防止过蚀刻导致的深度失控。但需注意，增加阻挡层可能会提升IMD层的整体介电常数（k值），因此需根据实际需求进行权衡。

图11：沟槽刻蚀

(7)最后进行阻挡层与铜的沉积，并实施铜的化学机械抛光（CMP）处理，如图12和图13所示。这些步骤的基本方法与之前M1层中的操作相似，故不再赘述。对于M3至Mx层，同样采用此方法。

图12:沉积阻挡层

图13：沉积铜和铜CMP处理

在55纳米工艺节点，先通孔技术虽占据主导地位，但其存在的缺陷不容忽视：一是通孔内BARC的完全去除较为困难，易导致残留；二是沟槽尺寸存在扩张现象（见图14），可能引发互连线间的桥接短路风险，从而无法满足更先进工艺节点的要求。

图14：先通孔造成沟槽扩张

双镶嵌工艺-先沟槽(trench first)

在双镶嵌工艺体系中，先沟槽技术遵循的是先形成沟槽结构，随后开辟通孔的步骤。该技术的核心流程包括薄膜沉积、沟槽的光刻与蚀刻、通孔的光刻与蚀刻、阻挡层的沉积、种子层的铺设、铜的电镀以及化学机械抛光等关键环节。

(1)依次沉积NDC,IMD,TEOS,TiN,SiO2层，如图15所示。其中，TiN层扮演着金属硬掩模的角色，旨在优化光刻与刻蚀的工艺分辨率，从而更精确地控制沟槽与通孔的图形尺寸，提升光刻线条的精度。但是在蚀刻完成后，TiN层需被去除。最顶层的SiO2层则主要起到隔离光刻胶（PR）层与金属硬掩模层的作用，防止它们直接接触，并具备良好的黏附性能。

图15：薄膜沉积

(2)对沟槽进行光刻处理，并通过硬掩模刻蚀将光刻胶上的图形转移到硬掩模上。随后，原位灰化并剥离上层剩余的PR和底部抗反射涂层（BARC），如图16所示。

图16：沟槽光刻和掩膜层刻蚀

(3)进入沟槽蚀刻阶段，通过金属掩模版开口向下蚀刻介电层，形成沟槽结构，如图17所示。为了更精确地控制蚀刻深度，可以在介电层中嵌入一层刻蚀阻挡层（如SiN等）。

图17：沟槽刻蚀

(4)填充PR和BARC，并进行通孔的光刻处理，如图18所示。

图18：通孔光刻

(5)通过通孔刻蚀并去除PR和BARC，得到包含沟槽与通孔的结构，如图19所示。

图19：通孔刻蚀

(6)最后进行金属沉积（包括阻挡层与铜的沉积），并实施化学机械抛光（CMP）处理，如图20所示。

图20：金属沉积及CMP处理

先沟槽技术的一个显著优势在于它避免了沟槽扩张现象，因此可以在更先进的工艺节点中使用。然而，在通孔光刻过程中，PR会填充到沟槽中，导致PR层变厚，从而增加了曝光与显影的难度。为了进一步优化先沟槽工艺，探索出一步蚀刻技术，即同时形成沟槽与通孔。这一改进有助于解决PR填充带来的问题，并提升蚀刻效果。具体步骤如下：

①沉积NDC,IMD,TEOS,TiN,SiO2层。

②对沟槽进行光刻处理，并通过硬掩模蚀刻将光刻胶上的图形转移到硬掩模上。随后，原位灰化并剥离上层剩余的PR和BARC。

③进行通孔的光刻处理：在不进行沟槽蚀刻的情况下，再次进行曝光与显影，形成通孔的图形，如图21所示。

图21：通孔光刻

④采用一步蚀刻技术同时形成沟槽与通孔结构。首先部分蚀刻出通孔图形，去除PR和BARC后，继续蚀刻以形成完整的沟槽与通孔结构，如图22所示。

⑤最后进行金属沉积（包括阻挡层与铜的沉积），并实施CMP处理。

双镶嵌工艺-自对准(self-aligned)

在双镶嵌工艺的范畴内，存在一种能够同步刻蚀以形成沟槽与通孔的先进方法，即所谓的自对准技术。以下是该技术的具体工艺流程概述：(1)依次沉积NDC（氮化硅或氮氧化硅等介质材料）/BD（底层介质，如二氧化硅）/SiN（氮化硅，作为刻蚀阻挡层，其他材料如NDC亦可选用）层，如图23所示。

图23：薄膜沉积

(2)对阻挡层进行光刻与蚀刻处理，以形成与通孔尺寸相匹配的图案，如图24所示。

图24：阻挡层刻蚀

(3)接着再次沉积BD/TEOS（四乙基正硅酸酯，一种常用的介质材料）/TiN（氮化钛，常用于硬掩模或扩散阻挡层）/SiO2层，如图25所示。

图25：薄膜沉积

(4)进入沟槽光刻阶段，如图26所示，通过光刻技术定义出沟槽的图形。

图26：沟槽光刻

(5)最后实施一步刻蚀工艺，同时形成沟槽与通孔。此过程中，刻蚀首先向下进行以形成沟槽结构，当到达刻蚀阻挡层时，刻蚀工艺继续，穿透阻挡层以形成通孔结构。这样，通过一次刻蚀步骤即完成了沟槽与通孔的形成。后续的阻挡层沉积、金属沉积等步骤则与双镶嵌工艺中的先沟槽技术保持一致。

铜阻挡层、种子层及电镀铜

在铜互连工艺中，阻挡层扮演着至关重要的双重角色：一是防止铜原子渗透至下方的介电层（例如SiCOH）中，以免破坏绝缘性能；二是确保铜层能够牢固地黏附于基底之上。鉴于铜的高度活性及其易于在介电材料中扩散的特性，特别是在采用低介电常数或超低介电常数材料时，铜扩散问题尤为严峻，传统的阻挡材料（诸如Ti、TiN）已难以胜任。因此，阻挡层的设计需兼顾高热稳定性、与铜及介电层的良好黏附性、出色的保形性和台阶覆盖能力，以及与铜化学机械抛光（CMP）工艺的兼容性。

当前，TaN/Ta组合已成为铜阻挡层的首选材料，因其对铜的扩散激活能极高，能有效遏制铜的扩散。TaN薄膜，特别是非晶态，展现出卓越的防铜扩散能力，而增加TaN在金属互连层中的比例可进一步提升可靠性。但是TaN与铜的黏附性欠佳，可能影响后续铜种子层的均匀沉积，故Ta层被用作黏附层，以促进大晶粒铜籽晶层的形成。注意作为金属阻挡层，其通孔电阻亦需考量，但阻挡层材料往往具有较高的电阻率，对通孔电阻有显著影响。因此，在确保阻挡性能的前提下，合理控制阻挡层厚度至关重要。

阻挡层的制备多采用物理气相沉积（PVD）技术，但传统溅射工艺的保形性不足，故离子化PVD工艺应运而生，随后又开发了自离化等离子体（SIP）PVD系统，进一步优化了沉积工艺。SIP中，单纯提升离子化浓度会导致底部沉积过多而侧壁沉积不足。为解决这一问题，反溅射技术被引入，利用氩离子在衬底偏压作用下溅射刻蚀，将底部多余的阻挡层材料反溅射至侧壁，实现沉积厚度的重新分布，既减薄了底部沉积，又增厚了侧壁沉积，从而改善了阻挡层的均匀性并降低了接触电阻。

随着器件尺寸的不断缩小，原子层沉积（ALD）技术也开始应用于阻挡层的沉积。ALD以其卓越的保形性和填洞能力著称，能够实现侧壁的完美覆盖，并能形成极薄（约10Å）且连续性好的薄膜，有助于增大铜线的有效截面积并降低电阻。然而，ALD亦面临挑战，如与种子层间的黏附性问题以及沉积过程中气体向多孔介质材料中的扩散等，这些问题有待进一步研究与解决。

具体的沉积流程如图27所示，首先进行TaN的沉积，然后进行Ta的沉积。接着，执行刻蚀步骤以穿透位于沟槽底部的阻挡层薄膜，并紧接着快速沉积一层薄薄的金属Ta。此快速镀Ta步骤的核心目的在于保护双大马士革工艺的边角完整性，特别是针对那些在刻蚀过程中可能遭受侵蚀而变薄的区域，从而增强工艺的整体可靠性与器件的稳定性。TaN/Ta的沉积作业通常是在同一设备中完成，且普遍采用磁控溅射技术。沉积步骤概述如下：利用直流电源溅射Ta，同时应用交流偏压以确保良好的覆盖率，并将腔体设定为沉积模式，以提升沉积的均匀性。

图27：阻挡层和铜沉积工艺

至于刻蚀步骤，则涉及降低直流功率以减少Ta的溅射量，防止线圈上的Ta因二次溅射而污染靶材。此时，交流偏压被用来驱动Ar离子对晶圆上已沉积的Ta进行刻蚀/溅射，而直流线圈则持续提供Ta源，以避免通孔和沟道的边角被过度刻蚀。射频在低直流功率条件下维持等离子体的稳定，同时腔体被设置为清洁模式，以防止靶材边缘的Ta发生二次沉积。

如图28所示，当前正致力于研发铜的直接电镀技术，即省略铜种子层的沉积步骤，直接在阻挡层上进行铜的电镀。这一技术革新对阻挡层提出了更高要求，包括更低的电阻率和更强的抗氧化能力。遗憾的是，即便是目前广泛使用的Ta也难以完全满足这些条件。钉（Ru）因其对铜具有更优异的黏附性，被视为实现直接电镀的潜在候选材料。然而，Ru在阻挡铜原子扩散方面的表现并不理想，因此可以考虑与TaN结合形成双层结构。不过Ru在化学机械抛光（CMP）过程中存在挑战，如在酸性条件下抛光会产生有毒的RuO气体，而在碱性条件下抛光速率较慢，且易于形成缺陷，从而影响器件的可靠性。

图28：电镀铜工艺示意图

除了双层阻挡层的研究，单层阻挡层同样也很重要。制备双层薄阻挡层不仅工艺复杂，而且成本高昂。单层阻挡层的研究主要聚焦于合金薄膜，如RuTa合金、CoTi合金等。这些合金薄膜能够同时满足黏附和阻挡的双重需求，为铜的直接电镀提供了新的可能。

种子层与阻挡层的沉积过程颇为相似，常采用SIP溅射工艺或ALD工艺，以确保出色的台阶覆盖能力。一个形状保持完好、均匀且电阻率低的薄铜种子层，是电镀铜工艺中实现沟槽无缝填充的关键前提。其厚度需控制在500至2000埃之间，过厚的种子层会减小开口尺寸，增大电镀铜的难度，可能导致封口现象，从而在内部遗留空洞。相反，若种子层过薄，侧壁覆盖不足，载流性能将大打折扣，电镀过程中易形成缺陷，影响互连线的稳定性。种子层的主要功能是提供成核点，促进大量铜晶粒和薄膜的形成，确保后续ECP（电镀铜）的正常沉积及其均匀性。相较于其他金属阳极（如Ti、Ta），铜更易于离化，自离化的等离子体状态最为稳定，且离化率最高。在铜的沉积过程中，还需特别注意防止铜的团聚，因为不连续的铜薄膜会显著降低电镀时的载流性能，因此，晶圆底座需具备良好的散热性能。此外，在溅射工艺中，反溅射方法也被广泛应用，以增强种子层在侧壁的覆盖。

ECP工艺在铜大马士革工艺中占据着举足轻重的地位。其基本原理是：将已完成阻挡层和铜种子层沉积的硅片晶圆正面朝下置于硫酸铜溶液中，晶圆背面通过金属环与电源负极相连作为阴极，而铜块则作为阳极预先置于镀液中，以产生电镀所需的铜离子。在直流电源的作用下，溶液中的铜离子向阴极移动，并在硅片表面形成铜膜。电镀过程能够实现完美的填充效果。但是由于阻挡层和铜种子层本身存在一定的工艺瑕疵，如悬垂效应，因此在填充过程中可能会产生孔洞

为了消除电镀铜过程中产生的孔洞，硫酸铜溶液会添加氯离子、氢离子及多种有机添加剂，这些添加剂通常包括加速剂、抑制剂和平整剂，它们协同作用以改善电镀的均匀性和填充效果，并调控铜的晶粒大小。氢离子作为溶液中的电荷载体，能提升溶液的离子导电性，稳定电镀过程中的电场。氯离子则倾向于吸附在阳极和阴极表面，促进阳极铜的溶解，并在阴极捕捉铜离子，加速电子传递

加速剂，多为小分子有机高分子化合物，易于渗透至沟槽深处，提升铜的填充效率。其中，3-巯基-1-丙烷磺酸钠(MPS)和聚二硫二丙烷磺酸钠(SPS)是常用的加速剂，它们能与沟槽表面及底部的二价铜离子反应，生成一价铜离子，加速铜的还原沉积，实现沟槽的保形生长，此过程依赖氯离子的存在。

抑制剂和平整剂则具有较大的分子量，能抑制铜膜的生长。抑制剂主要防止电镀时过早封闭开口，增强电镀填充能力；平整剂则能减少因表面微观结构不均导致的过度电镀，即抑制表面凸起的生长，简化后续的化学机械抛光步骤。聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)或其共聚物常用作抑制剂，它们与铜、氯离子形成络合物，阻碍铜表面的电荷交换。健那绿(JGB)是一种常用的平整剂，作为季铵盐带正电荷，倾向于吸附于高电荷密度区域如阴极尖端，实现平整效果，尽管其具体机制尚不完全清晰。

电镀铜工艺与低k介质具有良好的工艺兼容性，通常形成(111)方向的织构，有利于提升电导率。此外，电镀铜具有“自退火”效应，能促进大铜晶粒的形成，降低材料电阻率。相较于小晶粒，大晶粒不仅提高了研磨速率20%以上，还减少了薄膜中的晶界数量，显著增强了铜线的电迁移可靠性。

PVD法制备的铜种子层在生长时会延伸到硅片晶圆的边缘甚至背面，这可能对后续工艺设备造成污染。边缘区域的铜种子层表面均匀性不佳，会影响电镀铜的形成，并可能导致薄膜脱落。因此，ECP后通常需进行边缘去除（Edge Bevel Removal, EBR）处理。此过程包括：将镀铜硅片正面朝上置于卡槽内高速旋转，同时从硅片边缘的喷嘴喷出一定比例的双氧水和硫酸混合溶液，以去除硅片边缘的铜层，而阻挡层则保留在硅片上。电镀铜通过“自退火”效应形成较大的铜晶粒，但通常还需额外退火处理以进一步增大晶粒尺寸。在适宜条件下退火后，薄膜电阻率可降低约20%，晶粒大小可达1微米以上。但是退火也会带来一些问题，如晶粒增大导致铜的张应力急剧增加（达300MPa），引起晶圆变形，影响后续工艺如CMP和光刻。并且退火过强可能增加铜线中的微缺陷，这些缺陷可能迁移聚集形成大孔洞，导致线路失效。使用特定添加剂杂质可阻挡微缺陷迁移，提高铜线的应力迁移性能，但杂质增多会降低铜线的电子迁移性能。因此，退火工艺的优化是ECP中的关键环节。

完成ECP工艺后，需进行铜的化学机械抛光（CMP）工艺。CMP工艺首先以较高速率去除晶圆表面阻挡层以上的大部分铜，然后以较低速率去除残余铜和阻挡层，最终实现表面平整化。铜研磨工艺常采用双氧水作为氧化剂，使铜在溶液中氧化形成一价和二价铜离子。在酸性条件下可获得较高的研磨速率，而在近中性或碱性溶液中研磨速率较低，需加入络合剂形成可溶络合物以提高研磨速率。SiO2是常用的磨料，其粒径小且在不同条件下具有良好的悬浮性，研磨后可获得良好的表面状态。在去除残留铜的过程中易发生过研磨，所以阻挡层研磨要求研磨液具有更好的速率选择性，即阻挡层的研磨速率应大于铜的研磨速率。这通常通过使用两种研磨液来实现，以修正残余铜研磨过程中产生的蝶形坑和蚀坑等缺陷。而且由于low-k材料的机械强度较低，阻挡层研磨时需采用更小的应力，以防止low-k介质层变形或剥落，并尽量减少对介质层结构和性质的破坏，以免影响其k值。

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