详解金属互连中介质层

以下文章来源于ICPMS冷知识，作者gz07apple

集成电路(IC)是由数亿甚至数十亿个晶体管组成，这些晶体管在硅晶圆上并行工作。但是这些晶体管若不能相互导通，它们就不能实现指定功能。而这些金属互连(Metal Interconnect)电路像是血管，确保电子信号在不同组件之间的顺利传输。金属互连中介质层(Dielectric layer)的作用，是防止不同金属层间的电子迁移，将不同金属层相互隔离，避免物质之间的扩散或渗透等。

先来看一张金属互连剖面图：

一、金属前介质层

剖面图中黄色区域为金属前介质层，即PMD（Pre-MetalDielectric）。它位于衬底与第一金属层（Metal 1）之间，是保护有源区免受杂质粒子污染的绝缘介质层，其沉积效果的好坏直接影响器件的性能。

随着半导体器件尺寸的逐渐减小，沉积金属前介质层时所要填充的线缝宽度也越来越小，深宽比越来越大，填孔能力成为沉积工艺优化的首要目标。工艺通常选择TEOS（正硅酸乙酯）、PSG（磷硅玻璃）或BPSG（硼磷硅玻璃）等材料进行填充，利用高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）或次大气压化学气相沉积（SACVD）工艺来制备金属前介质层。

二、金属间介质层

剖面图中灰色区域为金属间介质层，即IMD（Inter MetalDielectric）。注意，无论金属前介质层还是金属间介质层，都属于层间介质层，即ILD（Inter Layer Dielectric）。两者区分在于，金属前介质层位于衬底和第一层金属之间，而金属间介质层则是位于两层金属之间。

金属间介质层能够确保每个金属互联结构的相互独立，防止串扰（Cross-Talk）。工艺通常选择采用二氧化硅或其它低 k 材料，如FSG（氟硅玻璃）、OSG（有机硅玻璃）等进行填充。比如将硅基前驱体OMCTS（八甲基环四硅氧烷）送入等离子体增强化学气相沉积（PECVD）反应腔，与氧气反应制备SiCO(H)低 k 材料薄膜。

电路导线电阻用R表示，寄生电容用C表示，由于R与导体的横截面积呈反比，C与电容极板的距离呈反比，因此随着制程微缩，布线之间的距离减小，电容与电阻均变大，产生RC延迟造成信号失真，影响芯片工作速度。

降低R与C，R=ρL/S，ρ是电阻率，L是导线长度，S是横截面积，由于增大导体横截面积不利于制程微缩，因此降低R的办法是选取电阻率更低的导体，比如用铜替换铝，然而在采用铜布线之后，短时间很难选择其他导体完全取代铜来继续降低电阻。

C=kA/d，A是横截面积，d是介质层厚度，降低横截面积会导致电阻R增加，增加介质层厚度会导致间隙填充更加困难，因此降低C的办法通常是降低k值，采用低k 材料替代SiO2。低k材料的工艺壁垒在于保证薄膜较薄同时实现足够的机械强度、高均匀性等。

三、刻蚀停止层

铜互连工艺需采用大马士革结构与化学机械抛光（CMP）技术，通过刻蚀低k材料获得沟槽和通孔来完成双大马士革图形化工艺。为了对RC延迟的影响缩至最小，除了前面提到金属间介质层采用低 k 材料外，刻蚀停止层（Etch Stop Layer，ESL）材料的k 值也应尽可能的低，从而降低金属互连的整体介电常数值。刻蚀停止层还可作为其下方金属导线的覆盖层（Capping Layer），也是金属扩散的阻挡层（Barrier Layer）。

过去刻蚀停止层材料通常选择Si3N4（k值约为7~8），其厚度必须尽可能薄。近年来也有采用SiCN（k值约为4~5）作为刻蚀停止层。SiCN（硅碳氮）是兼具宽禁带半导体SiC和绝缘体Si3N4两者优点的新型材料，不仅具有高热导率、高热稳定性、抗压、抗辐射等特点，而且表面致密，对硅和二氧化硅都具有很好的附着性。SiCN薄膜通常使用 4MS（四甲基硅烷）作为硅源、氨气作为氮源，通过 PECVD 工艺制备。