氮化鈦在芯片制造中的重要作用

文章來(lái)源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

本文介紹了TiN在芯片制造中的重要作用。

氮化鈦（TiN）是一種具有金屬光澤的陶瓷材料，其晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，化學(xué)穩(wěn)定性高、硬度大（莫氏硬度9-10）、熔點(diǎn)高達(dá)2950℃。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，TiN展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性（電阻率約25 μΩ·cm）、抗腐蝕性和熱穩(wěn)定性，使其成為芯片制造中的關(guān)鍵材料。此外，TiN在紫外至深紫外波段（UV-DUV）具有高吸收系數(shù)（約10^5 cm?1），遠(yuǎn)高于SiO?或Al?O?等材料，這一特性使其在光刻工藝中發(fā)揮重要作用。

TiN的制造工藝與化學(xué)原料

1. 化學(xué)氣相沉積（CVD）

利用前驅(qū)體氣體（如四（二甲氨基）鈦，TDMAT）在高溫下分解，與NH?或N?反應(yīng)生成TiN。

2. 原子層沉積（ALD）

原理：通過交替通入鈦源（如TiCl?）和氮源（如NH?），逐層生長(zhǎng)薄膜。

特點(diǎn)：精度高（可控制單原子層厚度），適合復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，但沉積速率較慢。

TiN在芯片制造中的核心作用

1. 金屬柵極的功函數(shù)調(diào)控

在先進(jìn)制程中，TiN被用作高k金屬柵極（High-k Metal Gate）的關(guān)鍵材料。其功函數(shù)約為4.7-5.1 eV，適合作為PMOS的柵極材料。通過摻雜鋁（Al）或共濺射Al/Ti靶材，可調(diào)節(jié)TiN的功函數(shù)至硅導(dǎo)帶附近（約4.1 eV），從而兼容NMOS需求。例如，鋁的引入會(huì)改變TiN與柵介質(zhì)界面的電子特性，使功函數(shù)向硅導(dǎo)帶偏移，優(yōu)化晶體管的閾值電壓。

2. 阻擋層：防止金屬擴(kuò)散

TiN的致密結(jié)構(gòu)可有效阻擋銅（Cu）或鎢（W）等金屬向硅襯底擴(kuò)散。例如，在銅互連工藝中，TiN作為阻擋層沉積在SiO?表面，避免銅原子滲透導(dǎo)致器件失效。實(shí)驗(yàn)表明，10 nm厚的TiN層即可將銅擴(kuò)散速率降低至可忽略水平。

3. 光刻抗反射層（ARC）

在光刻工藝中，TiN的高吸收系數(shù)可減少基底反射光引起的駐波效應(yīng)，提升圖案精度。例如，在DUV光刻中，TiN抗反射層可將反射率從30%降至5%以下，確保曝光圖形的邊緣清晰。

4. 黏附層與蝕刻阻擋層

TiN可增強(qiáng)不同材料間的黏附力，如銅與SiO?的結(jié)合。此外，在鎢柵極蝕刻工藝中，TiN作為蝕刻阻擋層，防止蝕刻劑（如SF?/Cl?）穿透至下方的柵極氧化物，保護(hù)器件結(jié)構(gòu)完整性。

TiN在金屬柵極疊層中的應(yīng)用

以28 nm以下制程的FinFET為例，TiN的應(yīng)用流程如下：

虛擬柵極去除：通過化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）暴露多晶硅虛擬柵極，并刻蝕形成溝槽。

高k介質(zhì)沉積：在溝槽內(nèi)沉積HfO?等高k介質(zhì)層。

TiN沉積：采用ALD或PVD工藝沉積TiN作為功函數(shù)層。

鎢填充：在TiN上沉積鎢作為導(dǎo)電層，TiN在此過程中同步發(fā)揮阻擋層作用，防止鎢擴(kuò)散。