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钨塞

/tungsten plug/
最后更新 2023-08-08
浏览 248
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成电路中的金属-氧化物-半导体(metal-oxide-semiconductor,MOS)晶体管的各电极与金属0层连线之间连接所依靠的垂直接触孔金属钨插塞。

英文名称
tungsten plug
所属学科
电子科学与技术

选择金属钨做接触插塞有两个主要原因,一是钨具有良好的热稳定性和抗电迁移特性,因此尽管钨的电阻率比铜高,但是铜原子容易扩散以及热稳定性差使得其不易于直接作为MOS的栅、源、漏三电极的接触插塞。二是化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)制备的钨金属具有良好的填充深孔的能力。由于钨的电阻率比铜的高, 所以CVD法制备的钨只能作为插塞和局部连线使用,而不能用于金属1层以上的长距离互连。

整个钨塞制备工艺如下:①预处理,采用加热和氩等离子体轰击以去除晶片表面的水汽和氧化物。②钛/氮化钛(Ti/TiN)黏附层制备,Ti/TiN起到黏附和阻挡的双重作用。首先用物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)工艺沉积Ti黏附层。业界采用改进型PVD机台,即离子化金属电浆(ionized metal plasma,IMP)来提高粒子的垂直入射比例,使得更多的离子到达接触底部,从而有效地提高台阶覆盖能力;随后,采用金属有机物化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)工艺沉积TiN黏附层,应注意控制反应温度在380~450℃,使得沉积速率和台阶覆盖性均可。应注意控制Ti/TiN黏附层的厚度,黏附层的电阻率远比钨金属的电阻率高,因此在有限的接触空间内,黏附层所占的比例越大,RC电路延迟越大。③钨塞沉积,主要分为两个阶段的CVD过程。第一阶段是成核过程,早期业界采用硅烷(SiH4)和六氟化钨(WF6)反应,经过改进后采用硼烷(B2H6)和WF6作为CVD前驱体,反应形成只有1纳米厚的高质量成核层,其粒径可达280纳米。第二阶段是体沉积,CVD法制备钨填充接触孔的过程中,反应气体扩散进入接触孔洞,因此当反应温度过高而导致反应速度过快时,反接触孔顶部比底部的钨膜生长速度过快,导致顶部封口形成缝隙和孔洞问题。因此,业界的改进工艺是通过降低反应温度从而降低沉积速率,进而提高填洞能力。但是,钨金属的质量略有下降,其粒径略减小,使电阻有3%的增加。

随着集成电路进入10纳米节点,其接触孔的关键尺寸过小和宽深比过大,导致在接触孔的上口方出现突出,均使得钨塞很容易形成缝隙和孔洞。为了解决该问题,可以利用选择性抑制机制,使沉积钨的过程优先从接触孔底部开始填充,避免了缝隙和孔洞,并由此极大提高了可靠性。

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