硅基材上铜薄膜的图案化-研究

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1、知识产权保护声明本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果，该成果属于浙江大学理学院化学系，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位作全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名／函办、砗日期：加彩年‘月第一章绪论第一章绪论1．1集成电路(integratedcircuit，IC)发展概述集成电路技术自开创以来，快速发展，最

2、小器件尺寸(或称特征尺寸featurelength)不断减小，集成度(单位面积的芯片上所包含的电子元器件的数目)不断提高。细一埘晡0。啊^H∞RES洲嚣澎等罗一登燮，如■I．P—惜‘-_．^_==!∥≯舢F阳％佃■博■r．7-／-／吖／驴图1．1Intel处理器中集成晶体管的数目按摩尔定律增加图1．1显示在过去30年的时间里，从20世纪70年代每个IC上集成105个器件的大规模集成电路(1argescaleintegration，LSI)发展到今天的每个IC上集成109个器件的超大规模集成电路(ultr

3、alargeScaleintegration,ULSI)111。根据2006年国际半导体工艺技术蓝图(internationaltechnologyroadmapforsemiconductor)的预测，最小特征尺寸将在2011年缩小至30rim[21。集成电路中器件尺寸的持续缩小对设计和制造设备以及芯片材料等都提出了更为苛刻的要求。1．2IC中的金属互连线系统及RC延迟金属互连线在芯片的操作运行中起着重要作用，如传送逻辑信号，输送电力以及分配时钟信号进行时序控制和同步操作等。金属导线在IC器件上的连接

4、有．；．．户矢，硕上研究生毕业论文两个地方【3】’一是导线对器件的连接，一般称为接触；另一种是导线间的相连，称为内连线。集成电路尺寸的持续减小给金属互连线系统带来了新的问题。如图1．2所示【4】，栅极延迟随着器件尺寸的缩小而减小，而来自金属连线的RC延迟却随之显著增加。例如，在传统趟和Si02材料的互连线体系中【5】，一条43岬长，O．5lun宽的金属线的RC延迟为2．5ps，而当线宽减小到O．1gm时，RC延迟将增加到42ps。可是对于以同等比例缩小的栅极，其延迟却从13ps减d,N3ps。，_、&、

5、-，oEI--h略∞o0O．10．13D．180．250．350．5TechnologyNode(um)图1．2不同技术节点(特征尺寸)下栅极延迟与互连线RC延迟比较降低RC时问延迟可以采用【6】：1)减少金属导线长度，增加金属导线间节距(pitch，芯片内部互连线间距离)，即增加金属线间介质厚度。2)改变互连线材料性质(a)采用低介电常数的层间介电绝缘材料。(b)采用低电阻率的金属材料做连线。但是减少金属导线的长度将造成电路设计上的复杂化；而增加介质厚度会因深宽比(1ligh—aspectratio)

6、增加，导致阶梯覆盖性(stepcoverage)变差，造成制程上的困难。因此，为降低ULSI电路中的RC时间延迟，必须采用低电阻率2OD0∞柏∞佃o第一章绪论(p)的金属材料做连线和低电容值(￡)的层间介电材料。1．3铜互连线技术金属铝及其合金是集成电路中一直使用的连线材料。然而，当器件线宽来到深亚微米时代，铝的低熔点(6600C)和强的自扩散能力使得它的抗电迁移和应力迁移能力不符合要求了。另外，溅镀金属铝的方法在填高深宽比的通孔时已经力不从心了。沉积优先发生在通孔的侧壁，而底部膜将非常的薄，这样在填入

7、金属膜时会产生孑L洞(keyhole，void)。因此，铝金属化面临着极大的挑战。和金属铝比较，铜有更低的电阻率，只是铝电阻率的67％(1．8岬cmVS．2．7衅cm)阴。在大电流密度下(105A／cm2)，铜的抗电迁移能力比铝高大约两个数量级Is]。铜的上述优点，对器件的特性有很大的帮助。例如提高功率密度，降低串扰噪音以及减少导线的RC延迟。此外，因为铜的低电阻率，在一定的工作电压下，产生的焦耳热将较少，对于以铜为导线而言，耗能明显减少，可以延长芯片的寿命。如果热一直堆积在芯片内，将会降低芯片的效能，

8、铜的导热性比铝好，可以较快把器件工作时产生的热量导离芯片，让外面的封装来散热，如此可以提高芯片的可靠度。同时，铜薄膜能够用CVD的方法来沉积，这可以获得良好的阶梯覆盖性和选择性沉积，对高深宽比的沟渠和凹槽也有很好的填入。因此，当前硅基集成电路已经发展到使用高导电率的铜来代替铝作为金属连线材料[911101。尽管比起金属铝来，铜金属材料在先天上有许多的优势，但是将铜应用在IC制程上仍然有许多问题要克服【111【121，主要是铜和介电材料的兼容