基于PI 隔離介質的厚膜金屬互連工藝

杜祥

（蘇州市職業大學 電子信息工程學院，江蘇 蘇州 215104）

半導體金屬互連技術，是指集成電路或半導體器件中使各獨立單元之間形成一定的電學聯系的技術，在實際應用中，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，金屬互連技術已從最初的鋁互連技術發展到今天的銅互連技術，相對于鋁互連技術，銅互連技術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量遠大于鋁的相對原子質量，因此，銅作為互連線的抗電遷移特性更好，提高了電路的穩定性。

傳統銅互連技術雖然具備種種優勢，但并非適用于所有的半導體器件中，傳統銅互連技術往往是利用濺射或熱蒸發的方式生長一層金屬導電層薄膜，然后，通過一系列工藝使導電層薄膜圖形化，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境。發展厚膜金屬互連技術已成為半導體產業發展的必然選擇。厚膜金屬化在集成電路中的優勢是厚膜混合集成電路的特點是設計更為靈活、工藝簡便、成本低廉，在半導體器件制造中的優勢是具有良好的電學性能，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到4GHz 以上。目前，較為成熟的厚膜金屬互連技術主要為絲網印刷技術和刻蝕工藝結合電化學沉積工藝的氧化硅隔離介質金屬厚膜互聯技術，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電層厚度等問題，使用新型有機材料將會解決以上技術帶來的問題。

自20 世紀70 年代初以來，聚酰亞胺便廣泛應用于微電子領域，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。在半導體領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 隔離介質的金屬厚膜互連技術采用低K 材料PI作為隔離介質，該材料具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、高強度等優良特點，光敏聚酰亞胺（PSPI）作為隔離介質原材料通常不需要進行刻蝕工藝即可進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構的情況下，利用化學藥劑或物理方式對其表面的氧化物、微粒、金屬、有機物等雜質進行去除，以達到避免污染器件和對后續工藝生長的金屬增強黏附性等。

2 光刻

光刻是利用光刻膠的光敏特性通過曝光實現圖形化的過程，其一般流程為表面預處理、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整靈活的特點，但均勻性比噴涂法差。根據旋涂曲線可以得到不同厚度的光刻膠，并根據光刻膠的收縮率和膨脹率，調整旋涂厚度以獲得不同厚度的隔離介質層。對于不同膠厚和使用不同類型光刻機，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），顯影時間根據膠厚、烘烤時間、曝光時間等因素適當調整，17μm膠厚顯影時間約為2min。

光敏聚酰亞胺作為隔離介質使用需進行固化，固化后的聚酰亞胺會獲得更好的機械性能，為后續的金屬生長創造合適條件，固化通常在氮氣烘箱內進行。

3 金屬生長

由于銅在硅晶圓表面易擴散，所以在生長銅導電層之前，需生長一層擴散阻擋層，傳統的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點，并且該方法較為成熟。

通過改變濺射功率和氮氣分壓，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，用于作為電鍍導電層和增強電鍍層金屬與樣品表面的結合力。使用濺射法生長銅種晶層可以獲得較高的表面結合力。

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的有效物質均勻分布，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，導致均勻性良好。第三步施加大電流，以實現對孔槽完全填充。

表1 不同濺射功率下的氮化鉭薄膜生長速度

4 CMP

CMP 原理是利用化學試劑對晶片表面進行化學腐蝕，然后，利用納米磨粒和拋光墊產生的物理摩擦將反應后的疏松物質帶走，而達到表面平坦化的目的。由于氧化銅易與酸反應，并且純銅與一般的酸基本不反應，所以銅拋光液應對銅既具有氧化性，又具有腐蝕性，但由于強酸的反應速度過快，不易于控制，所以拋光液中的酸性物質我們將使用一些酸性較弱的有機酸，如檸檬酸，氧化性則由雙氧水提供，但由于這兩種物質對銅的腐蝕性依然很強，拋光完成到取出清洗的過程中仍然會產生腐蝕，為了控制這種過強腐蝕性，我們仍需要添加抗腐蝕劑以控制過腐蝕，銅腐蝕后會產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，拋光墊轉速與樣品轉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域的線速度不同，所以，我們需要通過調節不同的轉速階梯來調整拋光效果，通過研究發現其平臺和晶圓載體的轉速比為1 時效果最好，但是，拋光過程中很難轉速比控制為1，所以轉速比范圍控制在0.9～1.2，并且通過晶圓載體的左右擺動，進一步縮小因線速度帶來拋光不均勻的影響。

5 結語

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。通過使用改進后的清洗方式可以達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形成的針孔、鼓泡等現象。通過濺射生長擴散阻擋層可以通過調節氮氣分壓和濺射功率獲得高質量和高效率的TaN 擴散阻擋層生長方式，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電層?？刂茠伖庖褐蠬2O2、有機酸等成分含量可以有效控制化學腐蝕速率，控制壓力和轉速比可以有效控制化學機械平衡，獲得最佳的去除率和拋光效果。