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互连线

互连线相当于集成电路(IC)的街道和高速公路,可将集成电路的各个元件连接形成整体功能,并与外界互动沟通。互连层(或金属层)的数量因器件的复杂度而不同,并通过刻蚀孔(即所谓通孔)来互相连接。制造这些复杂结构是芯片制造中工艺最密集且成本最易受影响的部分。随着器件内金属层数的增加,对于围绕金属层弯折的互连线要求越来越高,而且更高的布线密度对绝缘薄膜演变和所需的新工艺步骤都产生了影响。

应用材料公司在其中发挥什么作用?

应用材料公司的一系列技术囊括了互连线制造所需的每个工艺:

  • 绝缘体(介电质)沉积和特殊处理
  • 介电质刻蚀,可制造以铜填充的沟槽和通孔
  • 阻挡层沉积,能防止铜扩散到介电质后造成短路
  • 铜种子层沉积,有助于利用电沉积来填充沟槽和通孔
  • 块铜电沉积
  • 化学机械平坦化工艺可去除过量的铜覆盖,并产生平滑的晶圆表面,有利于制造流程的后部工序

 

随着特征尺寸的缩小,金属线的宽度及其间距也随之缩小。硅酸盐玻璃不再适合用作绝缘介质。要达到更快的器件性能和更低的功耗,需要较低电容(或 k 值)的介电质。过去的几代器件中,应用材料公司已开发出越来越多的多孔介电薄膜作为有效的绝缘体,其介电值(k 值)不断降低。介电值减少 0.4(一个薄膜换代),互连线功率需求会降低 10%。应用材料的介电质薄膜已成为全球晶圆制造厂采用的行业标准。

这些低介电值和超低介电值薄膜的性能,通过紫外线固化和其他后处理获得提升,从而优化了机械强度和电学特性。绝缘薄膜在芯片封装程序之前,要经受多达 150 道后续工艺步骤。此过程所用的强烈化学物质和等离子,可能导致不希望出现的 k 值增加。应用材料公司开发的创新处理方式可强化介电质,且电气测试证实这些方式可有效降低器件功耗。

金属化工艺在处理较小尺寸的几何结构方面也面临全新挑战。种子层通过物理气相沉积(PVD)工艺生成;PVD 是将铜从靶材溅镀(或溅射)到晶圆上的视距工艺。在侧壁垂直的狭窄、高深宽比特征中,制作均匀的种子层已成为一项巨大的挑战,对于侧壁的底部尤其如此。此薄膜层中的不连续性可能会在铜填充中造成孔洞,从而影响成品率。同时,较高深宽比也会增加电镀工艺中产生缺陷填充的风险。应用材料公司长期以来一直是物理气相沉积(PVD)工艺的领导者,在最近的 PVD 技术创新中采取自底向上的填充方法,通过对特征进行部分铜填充,降低了对下游工序的工艺要求,减少了特征的深宽比以利于电沉积,从而解决了种子层的覆盖难题。应用材料公司的电沉积技术,配合这一先进的种子层沉积技术,真正做到了无孔洞铜镀层,并利用优化的化学物质使整个晶圆达到均匀沉积。

随着互连层数的增加,化学机械平坦化(CMP)的应用机会也越来越多。每个沉积层都要经过研磨,确保表面平坦,为后序光刻做好准备。没有此道工序,沉积层可能会变得越来越不均匀,并延伸到现有光刻技术的焦距深度之外,影响图形化能力。铜化学机械平坦化工艺不仅取代了铝化学机械平坦化,特征尺寸和薄膜厚度也显著缩小。应用材料公司创新技术加强系统对表面形貌的灵敏度,并集成了性能监控功能,可精确控制平坦化工艺。