半大马士革工艺:利用空气隙减少寄生电容

本文介绍了半大马士革工艺：利用空气隙减少寄生电容。

随着半导体技术的不断发展，芯片制程已经进入了3纳米节点及更先进阶段。在这个过程中，中道（MEOL）金属互联面临着诸多新的挑战，如寄生电容等问题。为了应对这些挑战，人们提出了大马士革（semi-damascene）工艺，特别是在使用钌（Ru）作为互连材料时，这种工艺显示出了显著的优势，尤其是通过引入空气隙来减少寄生电容。

传统铜互连的问题

在传统的铜互连工艺中，随着制程节点的不断缩小，寄生电容和电阻问题变得日益严重，导致信号延迟增加，性能下降。为了解决这些问题，研究人员开始寻找替代材料和技术。

钌（Ru）作为互连材料

钌（Ru）作为一种低电阻、高可靠性的金属，成为了下一代互连材料的有力候选。钌具有以下优点： 低电阻：钌的电阻率远低于钴（Co），接近于铜（Cu），即使在极小尺寸下，其电阻增长速度也较慢。 高可靠性：钌具有出色的抗电迁移能力和高可靠性，特别适合未来的5纳米及更先进节点。 惰性和硬度：钌具有很高的惰性和硬度，不易通过化学机械抛光（CMP）去除，这使得传统的双大马士革工艺在CMP过程中容易对低k介质造成损伤，导致成品率下降。

空隙的重要性

空隙（airgap）在半大马士革工艺中起到了关键作用，它可以显著降低金属线间的寄生电容，从而减少RC延时。具体来说，空气隙的引入可以： 减少电容：空气隙的介电常数接近于1，远低于传统介质材料（如二氧化硅，介电常数约为3.9），因此可以显著降低寄生电容。 提高性能：通过减少寄生电容，可以提高信号传输速度，减少信号延迟，从而提升整体性能。 降低功耗：减少寄生电容还可以降低信号传输过程中的能量损失，从而降低功耗。

半大马士革工艺流程

M1 Ru刻蚀：使用介质作为掩模，刻蚀出M1层的钌金属线图案。 空气隙形成：使用ALD沉积一层绝缘层，在M1层的钌金属线之间形成空气隙，以减少寄生电容。 选择性通孔刻蚀：刻蚀出通孔，以便连接上下层金属线。 M2 Ru沉积：在通孔和M2层的图案上沉积钌金属。 M2 Ru刻蚀和空气隙形成：刻蚀出M2层的钌金属线图案，并在M2层的钌金属线之间形成空气隙。

空隙的挑战与解决方案

尽管空气隙在减少寄生电容方面具有显著优势，但在实际应用中仍面临一些挑战，例如空气隙闭合的控制、平面化的要求等。研究人员通过仿真和实验，逐步解决了这些挑战，确保了工艺的稳定性和可靠性。

空气隙闭合控制：在M1层的钌金属线之间形成空气隙后，需要精确控制空气隙的闭合，以确保空气隙不会在后续工艺步骤中意外打开。这需要高精度的刻蚀和沉积工艺。 平面化：空气隙形成后，需要进行平面化处理，以确保介质层的表面平整，不影响后续工艺步骤。这通常通过化学机械抛光（CMP）实现。 材料选择：选择合适的空气隙闭合材料（如SiCN）和刻蚀工艺，以确保空气隙的稳定性和可靠性。