详解金属互连中介质层

以下文章来源于ICPMS冷知识，作者gz07apple

集成电路(IC)是由数亿甚至数十亿个晶体管组成，这些晶体管在硅晶圆上并行工作。但是这些晶体管若不能相互导通，它们就不能实现指定功能。而这些金属互连(Metal Interconnect)电路像是血管，确保电子信号在不同组件之间的顺利传输。金属互连中介质层(Dielectric layer)的作用，是防止不同金属层间的电子迁移，将不同金属层相互隔离，避免物质之间的扩散或渗透等。

先来看一张金属互连剖面图：

一、金属前介质层

剖面图中黄色区域为金属前介质层，即 PMD（Pre-MetalDielectric）。它位于衬底与第一金属层（Metal 1）之间，是保护有源区免受杂质粒子污染的绝缘介质层，其沉积效果的好坏直接影响器件的性能。

随着半导体器件尺寸的逐渐减小，沉积金属前介质层时所要填充的线缝宽度也越来越小，深宽比越来越大，填孔能力成为沉积工艺优化的首要目标。工艺通常选择 TEOS（正硅酸乙酯）、PSG（磷硅玻璃）或 BPSG（硼磷硅玻璃）等材料进行填充，利用高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）或次大气压化学气相沉积（SACVD）工艺来制备金属前介质层。

二、金属间介质层

剖面图中灰色区域为金属间介质层，即 IMD（Inter MetalDielectric）。注意，无论金属前介质层还是金属间介质层，都属于层间介质层，即 ILD（Inter Layer Dielectric）。两者区分在于，金属前介质层位于衬底和第一层金属之间，而金属间介质层则是位于两层金属之间。 

金属间介质层能够确保每个金属互联结构的相互独立，防止串扰（Cross-Talk）。工艺通常选择采用二氧化硅或其它低 k 材料，如 FSG（氟硅玻璃）、OSG（有机硅玻璃）等进行填充。比如将硅基前驱体 OMCTS（八甲基环四硅氧烷）送入等离子体增强化学气相沉积（PECVD）反应腔，与氧气反应制备 SiCO(H) 低 k 材料薄膜。

电路导线电阻用 R 表示，寄生电容用 C 表示，由于 R 与导体的横截面积呈反比，C 与电容极板的距离呈反比，因此随着制程微缩，布线之间的距离减小，电容与电阻均变大，产生 RC 延迟造成信号失真，影响芯片工作速度。

降低 R 与 C，R=ρL/S，ρ 是电阻率，L 是导线长度，S 是横截面积，由于增大导体横截面积不利于制程微缩，因此降低 R 的办法是选取电阻率更低的导体，比如用铜替换铝，然而在采用铜布线之后，短时间很难选择其他导体完全取代铜来继续降低电阻。

C=kA/d，A 是横截面积，d 是介质层厚度，降低横截面积会导致电阻 R 增加，增加介质层厚度会导致间隙填充更加困难，因此降低 C 的办法通常是降低 k 值，采用低 k 材料替代 SiO2。低 k 材料的工艺壁垒在于保证薄膜较薄同时实现足够的机械强度、高均匀性等。

三、刻蚀停止层

铜互连工艺需采用大马士革结构与化学机械抛光（CMP）技术，通过刻蚀低 k 材料获得沟槽和通孔来完成双大马士革图形化工艺。为了对 RC 延迟的影响缩至最小，除了前面提到金属间介质层采用低 k 材料外，刻蚀停止层（Etch Stop Layer，ESL）材料的 k 值也应尽可能的低，从而降低金属互连的整体介电常数值。刻蚀停止层还可作为其下方金属导线的覆盖层（Capping Layer），也是金属扩散的阻挡层（Barrier Layer）。

过去刻蚀停止层材料通常选择 Si3N4（ k 值约为 7~8），其厚度必须尽可能薄。近年来也有采用 SiCN（k 值约为 4~5）作为刻蚀停止层。 SiCN（硅碳氮）是兼具宽禁带半导体 SiC 和绝缘体 Si3N4 两者优点的新型材料，不仅具有高热导率、高热稳定性、抗压、抗辐射等特点，而且表面致密，对硅和二氧化硅都具有很好的附着性。SiCN 薄膜通常使用 4MS （四甲基硅烷）作为硅源、氨气作为氮源，通过 PECVD 工艺制备。