半大馬士革工藝:利用空氣隙減少寄生電容

本文介紹了半大馬士革工藝：利用空氣隙減少寄生電容。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片制程已經(jīng)進(jìn)入了3納米節(jié)點(diǎn)及更先進(jìn)階段。在這個(gè)過(guò)程中，中道（MEOL）金屬互聯(lián)面臨著諸多新的挑戰(zhàn)，如寄生電容等問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，人們提出了大馬士革（semi-damascene）工藝，特別是在使用釕（Ru）作為互連材料時(shí)，這種工藝顯示出了顯著的優(yōu)勢(shì)，尤其是通過(guò)引入空氣隙來(lái)減少寄生電容。

傳統(tǒng)銅互連的問(wèn)題

在傳統(tǒng)的銅互連工藝中，隨著制程節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，寄生電容和電阻問(wèn)題變得日益嚴(yán)重，導(dǎo)致信號(hào)延遲增加，性能下降。為了解決這些問(wèn)題，研究人員開(kāi)始尋找替代材料和技術(shù)。

釕（Ru）作為互連材料

釕（Ru）作為一種低電阻、高可靠性的金屬，成為了下一代互連材料的有力候選。釕具有以下優(yōu)點(diǎn)： 低電阻：釕的電阻率遠(yuǎn)低于鈷（Co），接近于銅（Cu），即使在極小尺寸下，其電阻增長(zhǎng)速度也較慢。 高可靠性：釕具有出色的抗電遷移能力和高可靠性，特別適合未來(lái)的5納米及更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)。 惰性和硬度：釕具有很高的惰性和硬度，不易通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）去除，這使得傳統(tǒng)的雙大馬士革工藝在CMP過(guò)程中容易對(duì)低k介質(zhì)造成損傷，導(dǎo)致成品率下降。

空隙的重要性

空隙（airgap）在半大馬士革工藝中起到了關(guān)鍵作用，它可以顯著降低金屬線間的寄生電容，從而減少RC延時(shí)。具體來(lái)說(shuō)，空氣隙的引入可以： 減少電容：空氣隙的介電常數(shù)接近于1，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)介質(zhì)材料（如二氧化硅，介電常數(shù)約為3.9），因此可以顯著降低寄生電容。 提高性能：通過(guò)減少寄生電容，可以提高信號(hào)傳輸速度，減少信號(hào)延遲，從而提升整體性能。 降低功耗：減少寄生電容還可以降低信號(hào)傳輸過(guò)程中的能量損失，從而降低功耗。

半大馬士革工藝流程

M1 Ru刻蝕：使用介質(zhì)作為掩模，刻蝕出M1層的釕金屬線圖案。 空氣隙形成：使用ALD沉積一層絕緣層，在M1層的釕金屬線之間形成空氣隙，以減少寄生電容。 選擇性通孔刻蝕：刻蝕出通孔，以便連接上下層金屬線。 M2 Ru沉積：在通孔和M2層的圖案上沉積釕金屬。 M2 Ru刻蝕和空氣隙形成：刻蝕出M2層的釕金屬線圖案，并在M2層的釕金屬線之間形成空氣隙。

空隙的挑戰(zhàn)與解決方案

盡管空氣隙在減少寄生電容方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如空氣隙閉合的控制、平面化的要求等。研究人員通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，逐步解決了這些挑戰(zhàn)，確保了工藝的穩(wěn)定性和可靠性。

空氣隙閉合控制：在M1層的釕金屬線之間形成空氣隙后，需要精確控制空氣隙的閉合，以確?？諝庀恫粫?huì)在后續(xù)工藝步驟中意外打開(kāi)。這需要高精度的刻蝕和沉積工藝。 平面化：空氣隙形成后，需要進(jìn)行平面化處理，以確保介質(zhì)層的表面平整，不影響后續(xù)工藝步驟。這通常通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）實(shí)現(xiàn)。 材料選擇：選擇合適的空氣隙閉合材料（如SiCN）和刻蝕工藝，以確?？諝庀兜姆€(wěn)定性和可靠性。