1_1_Modul_Tekhnologichesky_analiz_izdely (Лекции Цветкова), страница 6

Шестислойная металлизация формируется по определенным правилам: первые два слоя, локально соединяющие элементы структур и сами структуры между собой, имеют минимальный шаг проводников. В третьем и четвертом слоях шаг и длина проводников увеличиваются, при этом в пятом и шестом слоях проводники с еще большим шагом и длиной используются для подвода питания и протяженных межсоединений.

Металлические проводники верхних слоев выполняются достаточно толстыми, чтобы уменьшить их сопротивление, в то время как проводники нижних слоев должны быть предельно тонкими – в толстых металлических пленках трудно вытравить узкие полосы с малым шагом.

Н
а рис. 1.17 показана геометрия проводников и их характерные размеры: ширина проводника W, зазор S, толщина t, длина L, отношение толщине к ширине (Aspect Ratio, AR=t/W). Размеры проводников для микропроцессора фирмы Intel по 180 нм технологии представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Параметры металлических проводников в многослойной металлизации

Как следует из уравнения 1.1, резистивно-емкостная задержка распространения сигнала в проводящих линиях определяется сопротивлением металлических проводников и диэлектрическими свойствами межслойных изоляторов.

В схемах с полушагом менее 180 нм алюминий в качестве материала проводников начинает заменяться медью, имеющей меньшее удельное сопротивление. Одновременно начинается применение материалов с малым значением диэлектрической постоянной (low-k) в качестве материалов межслойных изоляторов.

В конечном счете, оба этих решения все более широко используются совместно для уменьшения времени задержки в межсоединениях.

Приложение 2. Особенности формирования медных межсоединений.

Применение в качестве материала проводников меди сопряжено с рядом проблем. Так, медь практически не поддается плазменному травлению, зато легко диффундирует через SiO₂ и Si, привнося загрязнения и ухудшая рабочие характеристики схем.

Для решения этих проблем разработана технология, которая позволяет получать медные проводники заданной топологии, обеспечивая при этом барьерные слои, предотвращающие загрязнение кремния.

Эта технология, получившая название damascene (инкрустация), применима при создании микрорельефов заданной топологии практически из любых материалов, поддающихся химико-механической полировке – планаризации (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Технология damascene (инкрустация)

Метод точно соответствует своему названию – в нем литографии и последующему травлению подвергается пленка SiO₂ , затем в созданный микрорельеф осаждается металл, при этом конфигурация металлического рельефа формируется без травления, за счет снятия излишков меди при планаризации.

Применительно к меди используется модификация этой технологий – двойная инкрустация (dual damascene). В этом методе сквозное отверстие для межсоединения (via) и топология медных проводников формируются одновременно (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Технология dual damascene (двойная инкрустация)

После тщательной очистки на пластину последовательно наносится пакет слоев: SiO₂, Si₃N₄ и снова SiO₂. Первый слой SiO₂ – это межслойный диэлектрик между слоями металлизации. Слой Si₃N₄ служит стоп-слоем при последующем травлении SiO₂, делая процесс управляемым. Во втором слое SiO₂ формируются металлические межсоединения заданной топологии.

Проводится первая фотолитография и через окна в фоторезисте травятся отверстия для сквозных межсоединений – сначала в SiO₂ до остановки на слое Si₃N₄, а затем и сам слой Si₃N₄. После этого фоторезист удаляется.

Вторая фотолитография формирует в фоторезисте окна с конфигурацией металлических проводников. Через эти окна травится верхний слой SiO₂ до остановки на стоп-слое Si₃N₄, и одновременно через ранее вскрытые окна в этом слое протравливаются отверстия для сквозных межсоединений.

Фоторезист удаляется и пластина подвергается очистке. Далее последовательно вакуумным напылением наносятся барьерный слой нитрида тантала (TaN) и затравочный слой меди (Cu). Электропроводный затравочный слой меди необходим для последующего гальванического осаждения меди как в сквозные отверстия, так и в канавки для проводников. Гальваническое осаждение обеспечивает качественное заполнение металлом микрорельефов любой формы и размеров, что делает эту операцию все более популярной при многослойной металлизации.

После гальванического осаждения меди выполняется планаризация поверхности пластины до слоя SiO₂. Последующая очистка должна исключить возможность загрязнения структур медью.

Впервые медные межсоединения применила фирма IBM, выпустившая в 1998 г. микропроцессор с 6 слоями медных проводников (рис. 1.22, а), соединенных через заполненные вольфрамом микропереходы с контактами ИС (рис. 1.22, б).

Рис. 1.22. Медные многослойные межсоединения

а – взаимно перпендикулярное размещение медных проводников в смежных слоях,

б – медные проводники и заполненные вольфрамом микропереходы (серо-голубые элементы).

Приложение 3. Диэлектрические свойства материалов микротехнологии

Диэлектрические свойства различных материалов, используемых в полупроводниковой технологии, играют важную роль в формировании ключевых параметров интегральных микросхем.

Одним из важнейших свойств диэлектрических материалов является диэлектрическая проницаемость (permittivity). Диэлектрическая проницаемость (ε) – это мера способности материала поляризоваться под действием электрического поля.

Удобно рассмотреть общее представление об этом свойстве материалов на примере тесно связанного с ним понятия емкости (capacitance, C). Емкость – это мера способности материала удерживать электрический заряд при приложении поперечного электрического поля. В полной мере это понятие иллюстрирует конденсатор – прибор, в котором слой диэлектрического материала размещен между двумя параллельными проводящими пластинами.

Приложение поперечного электрического поля с напряжением V к конденсатору с емкостью C позволяет ему удерживать заряд Q . Величина этого заряда прямо пропорциональна приложенному напряжению, при этом емкость C играет роль коэффициента (константы) пропорциональности:

Q = CV, или C = Q/V

Размерность емкости – Фарада (Кулон/Вольт).

Емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости ε диэлектрического слоя, площади A конденсатора и расстояния t между проводящими пластинами. Емкость и диэлектрическая проницаемость связаны следующей зависимостью:

C = ε (A/t).

Предположив, что диэлектриком является вакуум, получим емкость C = ε₀ (A/d), где ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума (8.85 x 10-12 Ф/м).

Диэлектрическая постоянная (k) материала – это отношение его диэлектрической проницаемости ε к диэлектрической проницаемости вакуума ε₀, т.е. k= ε/ ε₀. Поэтому диэлектрическая постоянная часто называется относительной диэлектрической проницаемостью материала. Поскольку k является отношением величин одной размерности, сама она является безразмерной величиной.

Из этого определения следует, что диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1. Любой материал способен поляризоваться в большей мере, чем вакуум, поэтому у любого материала всегда k > 1.

Диэлектрики с большим значением k (high-k dielectric) хорошо держат заряд, поэтому они предпочтительны в качестве материала подзатворного диэлектрика.