Podwójny proces damasceński

W technologii półprzewodnikowej podwójny proces damascenowy opisuje grupę sekwencji procesów dla połączonej („podwójnej”) produkcji poziomów torów przewodzących i połączeń pionowych (tzw. Przelotki). Te sposoby stanowią dalszy rozwój prostego procesu Damascene i są stosowane w produkcji metalizacji poziomie od układów scalonych ( mikroczipy ) z zastosowaniem miedzi technologii.

Nazwa „Damascene” pochodzi od starożytnej techniki zdobienia , inkrustacji (zwanej też damasceńską, angielską damasceńską ), w której w uprzednio wykonane zagłębienia wprowadza się materiał.

tło

Na początku XXI wieku niektórzy producenci półprzewodników zmienili materiał szynoprzewodu w swoich produktach z aluminium na miedź, która jest bardziej przewodząca elektrycznie . Ponieważ warstwy miedzi, w przeciwieństwie do aluminium, nie mogą być strukturyzowane za pomocą procesów suchego trawienia , zmiana ta spowodowała również konieczność przestawienia się na inną zasadę produkcji. Doprowadziło to do wprowadzenia galwanicznego osadzania miedzi we wcześniej wytworzonych zagłębieniach w międzywarstwach dielektrycznych , procesu damascenowego i jego dalszego rozwoju, podwójnego procesu damascenowego. Decydująca różnica między tymi dwiema sekwencjami procesu polega na tym, że w podwójnym procesie damasceńskim przelotki (z angielskiego pionowego dostępu interkonektowego , połączenia stykowe między dwoma poziomami metalizacji) i powyżej poziomu metalizacji są wypełniane miedzią w jednym etapie procesu. W porównaniu z dwoma kolejnymi etapami damasceńskimi, za pomocą których można było wytworzyć tę samą strukturę, osadzanie miedzi, w tym osadzanie bariery dyfuzyjnej i warstwy ziarnistej , a także etap miedziany CMP , w którym miedź wystająca po osadzaniu galwanicznym jest wyrównana, zapisane. Zmniejszona liczba etapów procesu oszczędza materiał, czas, a tym samym koszty.

Racjonalne uzasadnienie

Zmniejszenie liczby koniecznych etapów osadzania metalu i CMP uzyskuje się dzięki temu, że struktury poziomu przelotowego i jednego poziomu przewodnika są wytwarzane przed osadzaniem metalu i są razem wypełniane metalem. Analogicznie do procesu damascenowego, podwójny proces damascenowy można również z grubsza podzielić na trzy większe sekcje procesu: 1. osadzanie dielektryka, 2. strukturyzację dielektryka i 3. osadzanie materiału ścieżki przewodzącej. Jednak w przeciwieństwie do procesu damasceńskiego nie osadza się i nie ustrukturyzuje prostej warstwy dielektrycznej, ale złożony stos warstw dielektrycznych. Ponadto strukturyzacja dwóch warstw częściowych jest (znacznie) bardziej złożona niż w przypadku pojedynczej warstwy.

Zasada procesu podwójnego damascenu jest najłatwiejsza do zrozumienia, jeśli dielektryk międzypoziomowy ( angielski dielektryk międzypoziomowy , ILD i dielektryk międzymetalowy , IMD) zostanie przyjęty dla interkonektów i przelotek jako dielektryczny stos trzech warstw. Górna warstwa IMD będzie później zawierała poziome ścieżki przewodzące tego poziomu metalizacji. Natomiast pionowe połączenia elektryczne (przelotki) między prądem a poprzednim poziomem metalizacji są wykonane w dolnej warstwie ILD.

Obie warstwy mają zwykle mniej więcej taką samą grubość. Stosowanym materiałem jest zwykle dwutlenek krzemu lub dielektryk o niskiej wartości k . Typowe grubości warstw w zależności od węzła technologicznego mieszczą się w przedziale 300–700 nm , ILD jest oddzielony od IMD cienką warstwą pośrednią. Ta warstwa pośrednia służy jako blokada wytrawiania podczas produkcji. Dlatego wybiera się tutaj materiał, który ma znacznie niższy współczynnik trawienia dla stosowanych procesów trawienia niż w porównaniu z IMD. W typowym, przykładowym procesie z tlenkiem krzemu jako ILD / IMD, można do tego zastosować na przykład warstwę azotku krzemu o grubości około 30 nm .

Trzy warstwy są zwykle nakładane jedna po drugiej. Wyjątkiem jest samoregulujący się podwójny proces damascenowy, który odbiega od podstawowej zasady tej sekcji produkcji. W tym wariancie struktura warstwy zatrzymującej trawienie następuje przed osadzeniem dielektryka IMD (patrz samonastawny podwójny proces damascenowy ).

W drugiej sekcji sekwencji procesu ścieżka przewodnika i struktury przelotowe są wytrawione w stosie osadzonych warstw dielektrycznych. W tym celu stosuje się różne sekwencje strukturyzacji fotolitograficznej i suchego trawienia (patrz sekcja Warianty ).

Podobnie jak w przypadku procesu damasceńskiego, ostatnim etapem jest osadzanie materiału ścieżki przewodzącej (głównie miedzi) w wytrawionych strukturach stosu warstw. Ponieważ miedź bardzo łatwo dyfunduje do dielektryka i krzemu i zakłóca tam funkcję elektryczną, na bocznych i dolnych powierzchniach rowków i przelotek należy umieścić barierę dyfuzyjną miedzi przed wypełnieniem rowków i przelotek. Jest nakładana jako warstwa konformalna na całą płytkę i usuwana w niepotrzebnych obszarach na górze dielektryka IMD za miedzianym CMP. Warstwa barierowa zmniejsza średnicę przelotową. Ponieważ tego zmniejszenia zwykle nie można skompensować większymi przelotkami, ich oporność elektryczna wzrasta. Aby zminimalizować ten efekt, stosuje się warstwy barierowe lub układy warstwowe wykonane z materiałów przewodzących prąd elektryczny, na przykład związków binarnych, takich jak tantal lub azotek tytanu . Po osadzeniu bariery dyfuzyjnej rowy i przelotki są wypełniane metalem szynoprzewodu, który jest zwykle osadzany elektrolitycznie. Struktury stają się przepełnione. Nadmiar metalu na wierzchu stosu warstw jest następnie najpierw wyrównany przez planaryzację chemiczno-mechaniczną (CMP), a następnie usuwany do bariery dyfuzyjnej lub do dielektryka, tak aby uzyskać możliwie płaską powierzchnię.

Aby zapobiec korozji miedzianych ścieżek przewodzących, po CMP osadzana jest warstwa hermetyzująca. Ponieważ w kolejnych etapach procesu należy zapewnić, aby miedź nie dyfundowała do warstw powyżej, warstwa hermetyzująca musi również pełnić funkcję bariery miedzianej. Jednak w tym przypadku nie można zastosować przewodzącego elektrycznie systemu barierowego zastosowanego w ścianach bocznych, ponieważ przewodząca warstwa obecna na całej płytce spowodowałaby zwarcie wszystkich linii. Dlatego stosuje się materiał dielektryczny, taki jak azotek krzemu (Si 3 N 4 ), węglik krzemu (SiC) lub węglikoazotek krzemu (SiCN).

Warianty strukturalne

Opisane powyżej wymagania dotyczące spoinowania przelotek i wykopów na szyny prądowe można spełnić na różne sposoby. Trzy najczęstsze podstawowe warianty podwójnego procesu damascenowego, różniące się kolejnością niezbędnych etapów fotolitografii i spośród których istnieją dalsze warianty procesu, to:

  1. Podwójny proces damasceński TFVL (od Trench First, Via Last , niemiecki „Trench first, Via last”)
  2. VFTL podwójny proces damasceński (od Via First, Trench Last , niemiecki „Via first, trench last”)
  3. samoregulujący podwójny damasceński , niemiecki „samoregulujący podwójny proces damascenowy”

Jednak w dzisiejszym przemyśle stosuje się inne technicznie wymagające warianty, które mogą jednak obniżyć koszty na poziom ścieżki przewodzącej, na przykład dlatego, że potrzeba mniej etapów litografii i / lub mniej czasu, lub właściwości elektryczne ulegają poprawie. Dotyczy to przede wszystkim wariantów opartych wyłącznie na (grubszej) warstwie dielektrycznej. Tutaj na przykład pojemności pasożytnicze są zmniejszone, ponieważ warstwa pośrednia zawsze zwiększa stałą dielektryczną całego stosu, a tym samym jego pojemność elektryczną. Ponadto opracowano wiele innych sekwencji procesów (takich jak podwójny proces damascenowy z metalową twardą maską lub z wielowarstwowymi fotorezystami) w celu spełnienia zwiększonych wymagań dotyczących strukturyzacji fotolitograficznej i integracji nowych materiałów.

Podwójny proces damasceński TFVL

Podwójny proces damascenowy TFVL (schemat podstawowy)

Podwójny proces damascenowy TFVL był pierwszym wdrożonym wariantem podwójnego procesu damascenowego. Jak nazwa opisuje ten wariant, wytrawianie rowów znajduje się (tutaj angielski rów ) w warstwie łączącej przed wytrawieniem przelotek w leżącej pod spodem warstwie ILD. Po osadzeniu stosu warstw ILD następuje osadzenie warstwy fotorezystu i jej fotolitograficzna struktura z wzorem struktur rowkowych. Maska fotorezystu służy jako maska ​​do wytrawiania w późniejszym procesie suchego wytrawiania dielektryka. Proces trawienia kończy się na warstwie zatrzymującej trawienie dielektryka, która została nałożona pomiędzy dielektrykiem poziomu ścieżki przewodnika a poziomem przelotowym poniżej.

Po wytrawieniu rowków pierwsza warstwa fotorezystu jest ponownie usuwana i nakładana jest druga warstwa fotorezystu ze wzorem struktury przelotek. Następnie następuje drugi etap wytrawiania, w którym najpierw otwiera się warstwę zatrzymującą trawienie, a następnie wytrawia się przelotkę w warstwie ILD. Warstwa fotorezystu chroni pozostałe obszary powierzchni płytki, w tym ściany boczne konstrukcji wykopu. Po wytrawieniu przelotek pozostałości fotorezystu są usuwane, a metal ścieżki przewodzącej jest osadzany (w razie potrzeby z systemem warstw barierowych).

Główną wadą podejścia TFVL jest to, że warstwa fotolitograficzna, która jest możliwie jednorodna, musi być osadzona podczas strukturyzacji fotolitograficznej przelotek, zarówno na wierzchu stosu warstw ILD, jak iw strukturach rowkowych. W tym celu fotorezyst nakładany w postaci płynnej musi być stosunkowo gruby. Jednakże, ponieważ rozdzielczość małych struktur w grubych warstwach fotorezystu jest trudniejsza do osiągnięcia niż w cieńszych warstwach fotorezystu, trudniej jest przenieść proces TFVL do mniejszych węzłów technologicznych. Dlatego etap strukturyzacji przelotowej wymaga stosunkowo wymagającej fotolitografii, dlatego pierwsza technika jest bardziej rozpowszechniona w produkcji przemysłowej.

Podwójny proces damasceński VFTL

VFTL podwójny proces damasceński (schemat podstawowy)

W podejściu typu przelotowego, położenie struktur przelotowych jest definiowane przed strukturami toru przewodzącego. Sekwencja procesu zasadniczo odpowiada tej z podejścia wykopu najpierw, z tą różnicą, że struktura poziomów toru przelotowego i przewodowego została zamieniona. Oznacza to, że po osadzeniu stosu warstw dielektrycznych (ILD, warstwa zatrzymująca i IMD) powstaje maska ​​fotorezystu ze wzorem struktury przelotek, a cały stos warstw jest wytrawiany tym wzorem (z wyjątkiem bariery dyfuzyjnej) poniżej poziomu via). Po usunięciu (przelotowej) maski fotorezystu wytwarza się drugą maskę fotorezystu ze strukturami rowków i wytrawia struktury w górnej warstwie dielektrycznej (IMD), aż do osiągnięcia warstwy zatrzymującej trawienie. Warstwa barierowa na dnie przelotek jest chroniona przed atakiem trawienia za pomocą fotorezystu lub materiału BARC (BARC = dolna powłoka antyrefleksyjna ) w przelotkach. Alternatywnie stosuje się wysoce selektywny proces wytrawiania, który nie atakuje materiału barierowego. Po wytrawieniu rowków pozostałości fotorezystu są ponownie usuwane, a metal ścieżki przewodzącej jest osadzany w sposób opisany powyżej (ewentualnie z systemem warstw barierowych).

Podejście via-first jest obecnie najczęściej stosowanym wariantem do produkcji podwójnych połączeń damascenowych.

Samoregulujący podwójny proces damasceński

Samoregulujący podwójny proces damasceński (schemat podstawowy)

Jak już wspomniano, samoregulujący się podwójny proces damascenowy odbiega nieco od podstawowej zasady opisanej powyżej. W przeciwieństwie do podejść metodą wykopu i metodą pierwszą, w tym wariancie po osadzeniu dielektryka poziomu przelotowego (ILD) i warstwy zatrzymującej trawienie, górny dielektryk (IMD) nie jest osadzany natychmiast, ale zatrzymuje się warstwa jest strukturalna. Strukturyzacja warstwy zatrzymującej trawienie ze wzorem struktur przelotowych odbywa się jak zwykle za pomocą maski fotorezystu i selektywnego procesu trawienia, który nie atakuje znajdującego się pod spodem dielektryka. Po wytrawieniu warstwy zatrzymującej usuwa się maskę fotorezystu i osadza się górną warstwę dielektryczną, tak że powstaje zakopana, ustrukturyzowana warstwa zatrzymująca trawienie. Następnie wykonuje się maskę fotorezystu wraz ze strukturami okopowymi. Rowy są wyrównane z otworami przelotowymi zakopanej warstwy oporowej. Podczas późniejszego wytrawiania dielektryka powstaje zarówno rowek, jak i struktury przelotowe. Po wytrawieniu następuje usunięcie pozostałości fotorezystu i osadzenie metalu ścieżki przewodzącej (w razie potrzeby z systemem warstw barierowych).

Wadą tej metody jest to, że struktury przelotowe i okopowe muszą być bardzo dobrze wyrównane. W przeciwnym razie przelotki mogą zostać zdeformowane (nie okrągłe), a osadzanie się bariery dyfuzyjnej lub wypełnienie konstrukcji nie będzie już możliwe w sposób zamknięty. Z tego powodu ten wariant jest rzadko używany w produkcji.

Podwójny proces damasceński z metaliczną twardą maską

Innym wariantem procesu jest podwójny proces damascenowy z metalową twardą maską (angielski podwójny wzór damascenowy z metalową twardą maską ). Warstwa metaliczna osadzona na dielektryku służy jako twarda maska ​​do drugiego etapu trawienia.

Sekwencja produkcji rozpoczyna się od osadzenia warstwy dielektrycznej, która później zawiera zarówno przelotki, jak i ścieżki przewodzące, początkowo warstwę metaliczną, często azotku tytanu (TiN), nałożoną na całą powierzchnię. Ta warstwa, która później posłuży jako twarda maska, jest następnie strukturyzowana za pomocą fotolitografii i trawienia na sucho z wzorami płaszczyzny toru przewodzącego (rowów ). Teraz warstwa fotorezystu jest ponownie usuwana.

Po wyprodukowaniu twardej maski ze strukturami szynoprzewodów, produkcja struktur przelotowych jest kontynuowana. W tym celu istniejący stos warstw dielektryka i twardej maski jest powlekany systemem fotorezystu lub fotorezystu, który jest nadawany strukturom przelotowym. Następnie następuje wytrawianie dielektryka, a tym samym wytrawianie przelotek. Maska twarda jest na tym etapie pasywna, to znaczy nie maskuje żadnych obszarów do wytrawienia, ponieważ struktury ścieżek przewodzących są większe niż struktury przelotowe. Po wytrawieniu warstwa fotorezystu (przelotki) jest ponownie usuwana.

W trzecim podpunkcie struktury torów przewodzących są wytrawiane za pomocą twardej maski. Wskazane jest całkowite lub częściowe wypełnienie otworów przelotowych, które zostały już otwarte, materiałem ofiarnym. Ponieważ nie stosuje się warstwy zatrzymującej trawienie, trawienie struktur ścieżek przewodzących jest kontrolowane w czasie w znanych i łatwo odtwarzalnych warunkach. Po wytrawieniu pozostałości fotorezystu są usuwane, a metal ścieżki przewodzącej jest osadzany (z systemem warstw barierowych).

Zaletą tej metody jest lepsza integracja i mniejsze uszkodzenie dielektryka poprzez typowe metody usuwania fotorezystu, na przykład plazma tlenowa lub emitowane tam promieniowanie UV, zwłaszcza przy zastosowaniu porowatych, ale także gęstych dielektryków o niskim współczynniku k. Główne wyzwania dla tej sekwencji procesu to z jednej strony wybór twardego materiału maski (selektywność trawienia, przezroczystość optyczna zapewniająca dobrą kontrolę nakładania, ale absorbująca w zakresie UV), z drugiej strony twardy materiał maski musi być kompatybilny z proces miedziany CMP.

Zastosowanie dielektryka o niskiej wartości k jako materiału ILD i IMD

Od kilku lat jako materiały ILD / IMD zamiast dwutlenku krzemu CVD stosuje się tak zwane dielektryki o niskiej wartości k, czyli materiały o niższej przenikalności niż dwutlenek krzemu (ε = 3,9) w celu zmniejszenia pojemności pasożytniczych, a tym samym szybszego czasy przełączania do osiągnięcia. Również w przypadku tych materiałów dielektryczna warstwa zatrzymująca trawienie została (początkowo) umieszczona w środku stosu warstw. Ma to jednak negatywne konsekwencje w odniesieniu do zmniejszenia pojemności elektrycznej układu warstw ILD. Na przykład azotek krzemu ma współczynnik przenikalności cieplnej około 7, a tym samym obniża efektywną liczbę przenikalności cieplnej stosu warstw. W przypadku dielektryka o niskim k pierwszej generacji, takiego jak szkło fluorokrzemianowe (FSG, ε = 3,9), pojemności pasożytnicze w stosie warstw nie są w rzeczywistości zmniejszone w porównaniu z warstwą czystego dwutlenku krzemu (patrz połączenie szeregowe kondensatorów ). Fakt ten zmniejsza również użyteczność dielektryków o niskiej wartości k późniejszej generacji, dlatego azotek krzemu został zastąpiony innym materiałem zatrzymującym trawienie o niższej przenikalności w pierwszym etapie. Przede wszystkim węglik krzemu (ε = 4,5) i jego pochodne okazały się również bardzo korzystne ze względu na inne dobre właściwości (por.).

Ponieważ jednak struktury poza węzłem 130 nm nadal się kurczyły, przenikalność węglika krzemu była również zbyt wysoka, dlatego opracowano warianty procesu bez osadzonej warstwy zatrzymującej trawienie. Ponieważ nie ma wskaźnika punktu końcowego, warianty te zwykle wykorzystują kontrolowane czasowo procesy trawienia ze znaną szybkością trawienia w celu wytworzenia struktur o określonej głębokości. Podłogi rowów znajdują się zatem pośrodku dielektryka. Wymaga to bardzo dobrej kontroli systemu wytrawiania, jak również wysokiej jednorodności na waflu i na kolejnych etapach. W przeciwnym razie mogą wystąpić duże różnice we właściwościach elektrycznych wytwarzanych obwodów. Ponadto mogą wystąpić inne negatywne skutki, takie jak zaokrąglenie krawędzi lub tworzenie się mikro rowów w narożnikach krawędzi.

Zalety i wady, obszary zastosowania

Podwójny proces damascenowy jest mniej skomplikowany technologicznie niż prosty proces damascenowy. W podwójnym procesie damasceńskim, przelotka i poziom toru przewodzącego są wytwarzane razem. W ten sposób można zaoszczędzić na etapie osadzania dielektryka, bariery i metalu ścieżki przewodzącej. Ponadto nie ma technicznie wymagającego kroku CMP.

Niemniej jednak podwójny proces damascenowy jest technicznie bardziej wymagający niż podwójny proces damascenowy ze względu na wysokie wymagania stawiane litografii i procesom trawienia. Ponieważ jednak wyzwania techniczne można rozwiązać za pomocą tych samych systemów produkcyjnych, mniejsza liczba etapów procesu skutkuje mniejszym zużyciem materiału i czasu (wyższa przepustowość na system). Jednocześnie zmniejsza się liczba źródeł zmienności.

Technologia podwójnego damascenu jest powszechnie stosowana do prawie wszystkich poziomów metalizacji dzisiejszych układów scalonych (IC) z miedzianymi ścieżkami przewodzącymi. Miedź jest bardzo trudna do wytrawiania na sucho, bardzo dobrze dyfunduje w zwykłych materiałach dielektrycznych, takich jak SiO 2 i dlatego musi być otoczona ze wszystkich stron barierą dyfuzyjną.

literatura

  • Stanley Wolf: Przetwarzanie krzemu w erze VLSI. Tom 4 Technologia procesu Deep-Submicron . Lattice Press, 2002, ISBN 0-9616721-7-X , rozdział 15: Podwójne połączenia damasceńskie, str. 671-710 .
  • Chih-Hang Tung, George T. Sheng, Chih-Yuan Lu: ULSI Semiconductor Technology Atlas . John Wiley & Sons, 2003, ISBN 0-471-45772-8 , s. 50–52 (krótka, ale bardzo przejrzysta prezentacja w działach technologii).

Indywidualne dowody

  1. ↑ między poziomu dielektryka (ILD) opisuje materiał dielektryczny pomiędzy dwoma poziomami ścieżki przewodzącej, to jest materiał w połączeniu przez warstwę.
  2. ↑ między metalem dielektryk (IMD) opisuje materiał dielektryczny dwóch ścieżek przewodzących w tej samej płaszczyźnie.
  3. ^ A b c Stanley Wolf: Przetwarzanie krzemu w erze VLSI. Tom 4 Technologia procesu Deep-Submicron . Lattice Press, 2002, ISBN 0-9616721-7-X , s. 674-678 .
  4. ^ A b Yoshio Nishi, Robert Doering: Podręcznik technologii produkcji półprzewodników, wydanie drugie . CRC Press, 2007, ISBN 978-1-4200-1766-3 , s. 2-9 .
  5. ↑ Patent US6696222 : Podwójny proces damascenowy z użyciem metalowej twardej maski. Opublikowano 24 lutego 2004 r. , Wynalazca: Chen-Chiu Hsue, Shyh-Dar Lee. ‌
  6. ↑ Krishna Seshan: Handbook of Thin Film Deposition . William Andrew, 2012, ISBN 978-1-4377-7873-1 , s. 231 .
  7. ^ Stanley Wolf: Przetwarzanie krzemu w erze VLSI. Tom 4 Technologia procesu Deep-Submicron . Lattice Press, 2002, ISBN 0-9616721-7-X , s. 682-683 .