基于PI 隔離介質(zhì)的厚膜金屬互連工藝

杜祥

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

半導(dǎo)體金屬互連技術(shù)，是指集成電路或半導(dǎo)體器件中使各獨立單元之間形成一定的電學(xué)聯(lián)系的技術(shù)，在實際應(yīng)用中，往往要求金屬互連線具有較低的電阻率、易于獲取和較好的抗電遷移特性等，目前，金屬互連技術(shù)已從最初的鋁互連技術(shù)發(fā)展到今天的銅互連技術(shù)，相對于鋁互連技術(shù)，銅互連技術(shù)可以獲得更低電阻率的金屬互連線，同時，由于銅的相對原子質(zhì)量遠(yuǎn)大于鋁的相對原子質(zhì)量，因此，銅作為互連線的抗電遷移特性更好，提高了電路的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)銅互連技術(shù)雖然具備種種優(yōu)勢，但并非適用于所有的半導(dǎo)體器件中，傳統(tǒng)銅互連技術(shù)往往是利用濺射或熱蒸發(fā)的方式生長一層金屬導(dǎo)電層薄膜，然后，通過一系列工藝使導(dǎo)電層薄膜圖形化，形成金屬互連線。由于金屬連線由薄膜制成，所以制成的金屬互連線橫截面積極小，無法承受高頻信號和高功率環(huán)境。發(fā)展厚膜金屬互連技術(shù)已成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。厚膜金屬化在集成電路中的優(yōu)勢是厚膜混合集成電路的特點是設(shè)計更為靈活、工藝簡便、成本低廉，在半導(dǎo)體器件制造中的優(yōu)勢是具有良好的電學(xué)性能，它能耐受較高的電壓、更大的功率和較大的電流。厚膜微波集成電路的工作頻率可以達(dá)到4GHz 以上。目前，較為成熟的厚膜金屬互連技術(shù)主要為絲網(wǎng)印刷技術(shù)和刻蝕工藝結(jié)合電化學(xué)沉積工藝的氧化硅隔離介質(zhì)金屬厚膜互聯(lián)技術(shù)，前者存在分辨率

低、不易制備高熔點金屬互連線的問題，后者則存在不易控制導(dǎo)電層厚度等問題，使用新型有機(jī)材料將會解決以上技術(shù)帶來的問題。

自20 世紀(jì)70 年代初以來，聚酰亞胺便廣泛應(yīng)用于微電子領(lǐng)域，較常用的材料有光敏聚酰亞胺（PSPI）和非光敏聚酰亞胺，其中光敏聚酰亞胺光刻膠具有正性光刻膠（p-PSPI）與負(fù)性光刻膠（n-PSPI）。本文所研究使用p-PSPI（光敏聚酰亞胺正性光刻膠）其主要成分有兩種形式，其基本成分分別為PI（聚酰亞胺）+DNQ（二疊氮萘醌）型和 PAA（聚酰亞胺前驅(qū)體；聚酰胺酸）+DNQ（二疊氮萘醌），通過改變各組分所占比例能有效改變光刻膠的性能。在半導(dǎo)體領(lǐng)域常被用作壓力緩沖層或介電層，該材料對I-line 型光源具有感光作用。

基于PI 隔離介質(zhì)的金屬厚膜互連技術(shù)采用低K 材料PI作為隔離介質(zhì)，該材料具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、高強(qiáng)度等優(yōu)良特點，光敏聚酰亞胺（PSPI）作為隔離介質(zhì)原材料通常不需要進(jìn)行刻蝕工藝即可進(jìn)行高深寬比的圖形化，減小了晶圓加工過程中因刻蝕工藝帶來的不可逆的風(fēng)險，也減少了在器件加工過程中高溫工藝的使用。

1 表面處理

晶片表面處理主要是以低成本的方式在不破壞晶片結(jié)構(gòu)的情況下，利用化學(xué)藥劑或物理方式對其表面的氧化物、微粒、金屬、有機(jī)物等雜質(zhì)進(jìn)行去除，以達(dá)到避免污染器件和對后續(xù)工藝生長的金屬增強(qiáng)黏附性等。

2 光刻

光刻是利用光刻膠的光敏特性通過曝光實現(xiàn)圖形化的過程，其一般流程為表面預(yù)處理、涂光刻膠、前烘、曝光、后烘、顯影、堅膜。

涂膠通常采用旋涂法，相對于噴涂法，旋涂具有速度快和厚度調(diào)整靈活的特點，但均勻性比噴涂法差。根據(jù)旋涂曲線可以得到不同厚度的光刻膠，并根據(jù)光刻膠的收縮率和膨脹率，調(diào)整旋涂厚度以獲得不同厚度的隔離介質(zhì)層。對于不同膠厚和使用不同類型光刻機(jī)，曝光時間也不同，17μm 膠厚其曝光所需能量為250mJ/cm2。

顯影使用3038 顯影液（成分為濃度2.38%TMAH），顯影時間根據(jù)膠厚、烘烤時間、曝光時間等因素適當(dāng)調(diào)整，17μm膠厚顯影時間約為2min。

光敏聚酰亞胺作為隔離介質(zhì)使用需進(jìn)行固化，固化后的聚酰亞胺會獲得更好的機(jī)械性能，為后續(xù)的金屬生長創(chuàng)造合適條件，固化通常在氮氣烘箱內(nèi)進(jìn)行。

3 金屬生長

由于銅在硅晶圓表面易擴(kuò)散，所以在生長銅導(dǎo)電層之前，需生長一層擴(kuò)散阻擋層，傳統(tǒng)的TiN 阻擋層效果不是很理想，金屬TaN 的電阻率雖然比TiN 的電阻率高，但對銅的擴(kuò)散阻擋效果較好。通過采用磁控濺射的方法生長TaN 可獲得附著力較好、均勻性高、致密性高和孔隙少的優(yōu)點，并且該方法較為成熟。

通過改變?yōu)R射功率和氮氣分壓，可以獲得不同的生長速度和表面粗糙度。隨著氮氣分壓的升高薄膜的沉積速率向著變慢的趨勢發(fā)展，粗糙度隨著氮氣分壓的增大而減小。隨著濺射功率的升高薄膜的沉積速率向著變快的趨勢發(fā)展，粗糙度隨著濺射功率的增大而增大。

圖1 不同濺射功率下薄膜原子力圖像

圖2 不同氮氣分壓下氮化鉭生長速率

電鍍銅之前需要在樣品表面生長一層銅種晶層，用于作為電鍍導(dǎo)電層和增強(qiáng)電鍍層金屬與樣品表面的結(jié)合力。使用濺射法生長銅種晶層可以獲得較高的表面結(jié)合力。

電鍍工藝通過改變電鍍液的組分和使用三步電流法可改善電鍍效果，三步電流法是指首先在零電流的情況下將樣品浸入電鍍液中，其作用是酸性電鍍液可輕微腐蝕晶片表面的氧化層，另一方面的作用可以使溶液內(nèi)的有效物質(zhì)均勻分布，從而使孔槽處得到較好的電鍍效果。第二步需施加小電流，小電流可使電鍍可以降低沉積速度，導(dǎo)致均勻性良好。第三步施加大電流，以實現(xiàn)對孔槽完全填充。

表1 不同濺射功率下的氮化鉭薄膜生長速度

4 CMP

CMP 原理是利用化學(xué)試劑對晶片表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕，然后，利用納米磨粒和拋光墊產(chǎn)生的物理摩擦將反應(yīng)后的疏松物質(zhì)帶走，而達(dá)到表面平坦化的目的。由于氧化銅易與酸反應(yīng)，并且純銅與一般的酸基本不反應(yīng)，所以銅拋光液應(yīng)對銅既具有氧化性，又具有腐蝕性，但由于強(qiáng)酸的反應(yīng)速度過快，不易于控制，所以拋光液中的酸性物質(zhì)我們將使用一些酸性較弱的有機(jī)酸，如檸檬酸，氧化性則由雙氧水提供，但由于這兩種物質(zhì)對銅的腐蝕性依然很強(qiáng)，拋光完成到取出清洗的過程中仍然會產(chǎn)生腐蝕，為了控制這種過強(qiáng)腐蝕性，我們?nèi)孕枰砑涌垢g劑以控制過腐蝕，銅腐蝕后會產(chǎn)生一些堿式碳酸銅之類的疏松銅鹽，此時，需要通過拋光墊和納米磨粒將其去除，所以拋光液中需要加入含納米磨粒的拋光原液。

拋光過程中，拋光墊轉(zhuǎn)速與樣品轉(zhuǎn)速也是影響平坦化效果的重要因素。由于晶片中心到邊緣區(qū)域的線速度不同，所以，我們需要通過調(diào)節(jié)不同的轉(zhuǎn)速階梯來調(diào)整拋光效果，通過研究發(fā)現(xiàn)其平臺和晶圓載體的轉(zhuǎn)速比為1 時效果最好，但是，拋光過程中很難轉(zhuǎn)速比控制為1，所以轉(zhuǎn)速比范圍控制在0.9～1.2，并且通過晶圓載體的左右擺動，進(jìn)一步縮小因線速度帶來拋光不均勻的影響。

5 結(jié)語

新型金屬厚膜互連工藝減少了加工過程中的高溫工藝使用，為一些無法承受高溫的器件提供了一些新的封裝方式。通過使用改進(jìn)后的清洗方式可以達(dá)到不同工藝表面潔凈度的要求，有效地減少了濺射金屬過程中因表面雜質(zhì)形成的針孔、鼓泡等現(xiàn)象。通過濺射生長擴(kuò)散阻擋層可以通過調(diào)節(jié)氮氣分壓和濺射功率獲得高質(zhì)量和高效率的TaN 擴(kuò)散阻擋層生長方式，利用濺射法生長的銅種晶層可以使鍍層銅與樣品表面獲得較好的結(jié)合力，通過使用三部電流法和電鍍液添加劑可以獲得致密且光亮的銅導(dǎo)電層?？刂茠伖庖褐蠬2O2、有機(jī)酸等成分含量可以有效控制化學(xué)腐蝕速率，控制壓力和轉(zhuǎn)速比可以有效控制化學(xué)機(jī)械平衡，獲得最佳的去除率和拋光效果。