一、 Al 布线 VS Cu布线

我们都知道,铜的导电性比铝好,而且我们的生活中的电线都是铜丝做的,那么为什么集成电路早期要用铝布线呢?

这是因为铜与硅的接触电阻很高,而且铜容易扩散进入硅中,引起器件性能灾难。铝虽然导电性差一些,但它对二氧化硅有良好的粘附性,高纯度的硅有很低的接触电阻,而且容易干法刻蚀。

那么铝作为互联线时会遇到什么问题呢?
铝和硅在577℃下会共熔,容易破坏浅结形成短路,即“铝钉”;第二个问题是,大规模集成电路里面的铝导线很细长,经常要承受很高密度的电流,内部的Al容易在在电场作用和热作用下扩散,甚至断开,称为“电迁移”现象。

如何解决“铝钉”和“电迁移”呢?
通常在铝中加入1%~2%的Si,在加热时铝合金更倾向于和内部硅发生作用,而不是源漏端的Si;也可以在硅铝之间增加一个金属阻挡层(如TiW,TiN),避免发生共熔,但不影响导电性。

铝中加入4%的铜可以有效减轻电迁移。

二、为什么还要用铜?

随着时钟频率上升,和尺度的下降(0.18微米),信号的延时增大,需要更高电导率的材料。随着通孔数量增加,铝硅表面的小接触电阻变大,而且铝很难垫积在10:1深宽比的通孔中。因此铜重新进入工程师的视野。

铜互连的致命弱点:无法向铝一样采用干法刻蚀,即等离子体不能与铜发生反应生成易挥发的副产物,为之奈何?

三、大马士革工艺

传统的铝布线的流程

先铺一层铝,光刻(1)、干法刻蚀(2)留下需要连接的部分,最后淀积二氧化硅(3),抛光(4)。如图

铝制程

铜布线的流程(大马士革工艺)

先淀积二氧化硅,光刻(1)、刻蚀(2)出留给Cu的槽,最后电镀铜(3),抛光(4)。如图
大马士革工艺

为了减少窜扰,铜线之间的要采用低k介质,而不是二氧化硅介电常数是3.9。铜电镀时要需要铺上一层薄的TaN,防止铜扩散。

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