氮化钛在芯片制造中的重要作用

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了TiN在芯片制造中的重要作用。

氮化钛（TiN）是一种具有金属光泽的陶瓷材料，其晶体结构为立方晶系，化学稳定性高、硬度大（莫氏硬度9-10）、熔点高达2950℃。在半导体领域，TiN展现出优异的导电性（电阻率约25 μΩ·cm）、抗腐蚀性和热稳定性，使其成为芯片制造中的关键材料。此外，TiN在紫外至深紫外波段（UV-DUV）具有高吸收系数（约10^5 cm⁻¹），远高于SiO₂或Al₂O₃等材料，这一特性使其在光刻工艺中发挥重要作用。

TiN的制造工艺与化学原料

1. 化学气相沉积（CVD）

利用前驱体气体（如四（二甲氨基）钛，TDMAT）在高温下分解，与NH₃或N₂反应生成TiN。

2. 原子层沉积（ALD）

原理：通过交替通入钛源（如TiCl₄）和氮源（如NH₃），逐层生长薄膜。

特点：精度高（可控制单原子层厚度），适合复杂三维结构，但沉积速率较慢。

TiN在芯片制造中的核心作用

1. 金属栅极的功函数调控

在先进制程中，TiN被用作高k金属栅极（High-k Metal Gate）的关键材料。其功函数约为4.7-5.1 eV，适合作为PMOS的栅极材料。通过掺杂铝（Al）或共溅射Al/Ti靶材，可调节TiN的功函数至硅导带附近（约4.1 eV），从而兼容NMOS需求。例如，铝的引入会改变TiN与栅介质界面的电子特性，使功函数向硅导带偏移，优化晶体管的阈值电压。

2. 阻挡层：防止金属扩散

TiN的致密结构可有效阻挡铜（Cu）或钨（W）等金属向硅衬底扩散。例如，在铜互连工艺中，TiN作为阻挡层沉积在SiO₂表面，避免铜原子渗透导致器件失效。实验表明，10 nm厚的TiN层即可将铜扩散速率降低至可忽略水平。

3. 光刻抗反射层（ARC）

在光刻工艺中，TiN的高吸收系数可减少基底反射光引起的驻波效应，提升图案精度。例如，在DUV光刻中，TiN抗反射层可将反射率从30%降至5%以下，确保曝光图形的边缘清晰。

4. 黏附层与蚀刻阻挡层

TiN可增强不同材料间的黏附力，如铜与SiO₂的结合。此外，在钨栅极蚀刻工艺中，TiN作为蚀刻阻挡层，防止蚀刻剂（如SF₆/Cl₂）穿透至下方的栅极氧化物，保护器件结构完整性。

TiN在金属栅极叠层中的应用

以28 nm以下制程的FinFET为例，TiN的应用流程如下：

虚拟栅极去除：通过化学机械抛光（CMP）暴露多晶硅虚拟栅极，并刻蚀形成沟槽。

高k介质沉积：在沟槽内沉积HfO₂等高k介质层。

TiN沉积：采用ALD或PVD工艺沉积TiN作为功函数层。

钨填充：在TiN上沉积钨作为导电层，TiN在此过程中同步发挥阻挡层作用，防止钨扩散。