接觸孔工藝簡介

本文主要簡單介紹探討接觸孔工藝制造流程。以55nm接觸控工藝為切入點進(jìn)行簡單介紹。

在集成電路制造領(lǐng)域，工藝流程主要涵蓋前段工藝（Front End of Line，F(xiàn)EOL）與后段工藝（Back End of Line，BEOL）。前段工藝主要用于制作晶體管，而后段工藝則專注于實現(xiàn)晶體管之間的金屬布線互連。其中，接觸孔工藝作為前后段工藝銜接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作用是連接晶體管有源區(qū)與第一金屬層。在大規(guī)模生產(chǎn)的成套工藝流程里，接觸孔工藝一旦出現(xiàn)缺陷，常常會成為影響良率的關(guān)鍵因素。在該工藝模塊中，接觸電阻（Contact Resistance，Rc）和套刻對準(zhǔn)（Overlay）是需要重點關(guān)注的兩個核心部分。

電路信號的傳輸速度取決于電阻與電容的乘積，因此，在接觸孔工藝中，降低接觸電阻成為了一個至關(guān)重要的問題。針對這一問題，主要可從接觸孔材料、接觸孔關(guān)鍵尺寸等方面展開考量。

接觸孔工藝簡介

在接觸孔材料方面，用金屬鎳硅化物替代以往的金屬鈷硅化物，能夠獲得更小的接觸電阻；采用金屬鎢替換之前的金屬鋁作為接觸孔的填充材料，不僅可擁有更強的抗電遷移能力，還能實現(xiàn)更小的電阻率以及更高的臺階覆蓋率；在不影響填充能力的前提下，減小具有高阻特性的黏合層 Ti/TiN 的厚度，同樣可以達(dá)到降低電阻的目的。

在接觸孔關(guān)鍵尺寸方面，隨著技術(shù)節(jié)點逐漸縮小，多晶硅到接觸孔的距離越來越短。減小接觸孔的關(guān)鍵尺寸，有助于減少多晶硅和接觸孔之間橋聯(lián)的問題，然而，關(guān)鍵尺寸的減小會致使接觸孔與多晶硅及有源區(qū)的接觸面積變小，進(jìn)而增加接觸電阻。與此同時，降低層間介質(zhì)的厚度也有助于降低電阻。所以，需要探尋合適的工藝窗口，以平衡這些因素之間的關(guān)系。光刻工藝中的套刻對準(zhǔn)步驟，對接觸孔工藝有著較大的影響，尤其是在靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random - Access Memory，SRAM）區(qū)域。靜態(tài)隨機存取存儲器依靠提高晶體管密度來增加緩存容量，其設(shè)計可不遵循最小設(shè)計規(guī)則，這給工藝帶來了極大的挑戰(zhàn)。在靜態(tài)隨機存取存儲器區(qū)域，當(dāng)接觸孔與柵極套刻對準(zhǔn)時，若出現(xiàn)較大偏差，就容易導(dǎo)致接觸孔和柵極之間發(fā)生橋聯(lián)短路，進(jìn)而使器件失效。當(dāng)接觸孔與有源區(qū)套刻對準(zhǔn)時，部分有源區(qū)上的接觸孔與有源區(qū)重疊，一旦產(chǎn)生對準(zhǔn)偏差，在后續(xù)刻蝕過程中就會刻蝕掉一部分淺溝槽隔離（STI）上的氧化物，從而增加漏電，加大器件功耗。

接觸孔工藝流程

55nm 接觸孔工藝選用金屬鎢作為填充材料，在器件與第一層金屬之間采用介質(zhì)材料，以此形成層間介質(zhì)層（Inter - Layer Dielectric，ILD），從而實現(xiàn)電性隔離，并降低金屬與襯底之間的寄生電容。55nm 接觸孔工藝的具體步驟如下：

清洗：

在進(jìn)行化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapour Deposition，CVD）之前，需對晶圓表面進(jìn)行清洗，以確保其表面潔凈。

沉積具有拉應(yīng)力的氮化物層：

如下圖所示，利用化學(xué)氣相沉積法沉積一層氮化物，這層氮化物既作為后續(xù)刻蝕接觸孔的刻蝕停止層，同時還能引入應(yīng)力。在早期工藝中，對器件的工作速率要求相對較低，所以在這一步驟采用的是氧化物加氮化物的組合，主要目的是實現(xiàn)電性隔離。加入氧化層，一方面是將其作為刻蝕停止層；另一方面是因為氮化物與硅襯底的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)不匹配，氮化物與硅直接接觸會產(chǎn)生較大應(yīng)力，容易致使硅襯底出現(xiàn)裂紋、大量位錯或缺陷。因此，需要在襯底上生長一層氧化物，以緩解氮化物與硅襯底之間的應(yīng)力。隨著技術(shù)節(jié)點不斷縮小，對 <100> 晶向的硅片施加拉應(yīng)力，能夠顯著提升其溝道的電子遷移率，進(jìn)而提高器件的驅(qū)動電流。所以，在這一步驟中去除了氧化物，以充分發(fā)揮氮化物的應(yīng)力作用，通過精準(zhǔn)控制沉積工藝的各項指標(biāo)來調(diào)控應(yīng)力大小，有效提升 NMOS 器件的工作速率。

生長具有拉應(yīng)力的氮化物

沉積磷硅玻璃：

如下圖所示，運用高密度等離子體化學(xué)氣相沉積工藝（High Density Plasma Chemical Vapour Deposition，HDPCVD）沉積磷硅玻璃（PSG），將其作為第一層層間介質(zhì)層。磷硅玻璃是在未摻雜硅酸鹽玻璃（Undoped Silicate Glass，USG）中摻磷形成的，它能夠有效吸收固定離子（主要為 Na）并阻擋水汽。在該步驟中，主要從間隙填充能力（Gap Fill）、等離子體損傷、薄膜均勻性這三個方面對高密度等離子體化學(xué)氣相沉積工藝進(jìn)行優(yōu)化。

生長磷硅玻璃層

沉積 TEOS：

如下圖所示，采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝生長正硅酸乙酯（TEOS），將其作為第二層層間介質(zhì)層。為解決高密度等離子體化學(xué)氣相沉積工藝中等離子體密度過大、薄膜均勻性欠佳、沉積時間過長的問題，55nm 工藝采用 PSG + TEOS 的組合作為層間介質(zhì)。

生長正硅酸乙酯層

CMP：

如下圖所示，借助化學(xué)機械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）來調(diào)整層間介質(zhì)層的高度，實現(xiàn)表面平坦化。在研磨氧化物的過程中，主要通過調(diào)節(jié)研磨時間來達(dá)到指定的介質(zhì)層高度，最后清洗去除表面的研磨液。

化學(xué)機械研磨調(diào)整高度

沉積氧化物：

如下圖所示，利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積形成一層氧化物，該氧化物可作為光刻的抗反射涂層，以減少反射，降低駐波效應(yīng)，同時還能修復(fù)化學(xué)機械研磨工藝對表面造成的損傷。

生成等離子體增強的氧化物

光刻：

如下圖所示，通過光刻膠旋涂、前烘、對準(zhǔn)與曝光、后烘、顯影、堅膜等一系列步驟，將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。非接觸孔區(qū)域保留光刻膠，接觸孔區(qū)域的光刻膠則通過顯影去除，后續(xù)將通過刻蝕工藝形成接觸孔。

光刻形成接觸孔圖案

刻蝕、清洗：

如下圖所示，采用 CF?等氣體形成的等離子體轟擊晶圓，去除無光刻膠覆蓋區(qū)域的介質(zhì)層，形成高深寬比的接觸孔。在形成接觸孔后，通過干法刻蝕和濕法刻蝕去除光刻膠和抗反射涂層，隨后將晶圓放入清洗槽中清洗，最后在物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）金屬前，用氬離子濺射去除表面的氧化物。

刻蝕形成接觸控圖案

沉積黏合層（Glue Layer，GL）：

如下圖所示，利用物理氣相沉積工藝濺射沉積 Ti 和 TiN 層。Ti/TiN 層主要有兩方面作用：一方面，由于鎢與氧化物的黏附性較差，如果直接將鎢填充進(jìn)氧化物，形成的介質(zhì)層中鎢層極易脫落，因此需要 Ti/TiN 作為黏附層，防止鎢層脫落；另一方面，Ti/TiN 層作為阻擋層，能夠有效防止鎢擴(kuò)散至器件有源區(qū)內(nèi)，對器件性能造成損害。

沉積Ti/TiN層

沉積鎢層：

如下圖所示，采用化學(xué)氣相沉積工藝沉積金屬鎢，填充接觸孔。這個過程主要分為兩步，第一步是利用六氟化鎢（WF?）、硅烷（SiH?）和乙硼烷（B?H?）在一定溫度和壓力下反應(yīng)沉積一層鎢籽晶層，第二步是利用六氟化鎢（WF?）和氫氣（H?）沉積大量的鎢。

沉積鎢層

CMP：

如下圖所示，利用化學(xué)機械研磨去除表面多余的鎢層和 Ti/TiN 層，防止鎢殘留導(dǎo)致不同區(qū)域的接觸孔短路，同時也使表面平坦化。正硅酸乙酯層是化學(xué)機械研磨的停止層，考慮到工藝的容忍度，當(dāng)終點檢測器檢測到正硅酸乙酯的成分時，會再進(jìn)行一定時間的研磨，確保鎢沒有殘留。