| 单词 | 多层金属布线技术 |
| 释义 | 【多层金属布线技术】 是采用两层以上金属，以立体三维方式形成集成电路中各个元件间互联的一种技术。其目的在于压缩布线的占用面积，缩减布线长度带来的RC延迟，增强设计自由度，以此提高IC集成度、速度及成品率。 整套的多层布线由金属形成与加工，介质的形成与加工以及通孔处的互联三大部分组成，其具体的方法为：……开电极孔→第一层金属布线→淀积第一层介质→开通孔→第二层金属布线→淀积第二层介质→开通孔→第二层金属布线……早期的多层布线多为两层金属布线，金属材料以铝为主，金属层间的介质一般为LPCVDSIO2、PSG等。这种布最明显的一个特征是无论金属还是介质均通过简单的罗列逐层淀积到芯片上，完成整个布线。由于未经任何平坦化，一层铝布线的台阶几乎原样传递给上层介质。这样沉积上层金属时会在台阶边缘处造成局部减薄，并在后续的光刻形成布线时发生上层铝断条现象。同时，介质在下层金属台阶边缘处保角不良，引起上下层金属的短路。为此，必须采用平坦化，为上层金属与介质膜的铺设及光刻加工提供一个平坦的底面，保证金属及介质层性能可靠。平坦化不只包括淀积介质的平坦化，也包括金属本身的平坦化。甚至电极孔／导通孔的(填充)平坦化。平坦化的手段多种多样，有的从介质材料入手，有的则从金属化加工入手；有的一步形成，有的多步形成。阳极氧化技术是最早的较为完美的平坦化技术，从它当时采用的技术手法来看可归为金属的平坦化之列。它的独到之处在于它不是将引线外的铝去掉，而是将它就地氧化成绝缘的金属氧化物(AlxOy)。由于该金属变相为氧化物时，体积不会与原金属差异过大，便可在金属与其氧化物之间形成一个联系紧密，结构平坦完美的平面，但有时存在着阳极氧化屏蔽困难(尤其对小线条／小间距布线)，以及大面积氧化时不易形成彻底隔离等问题，因此不适于小设计规则的IC加工。从改变绝缘材料入手人们研究了利用液态介质的可能性。较为成功的液态介质主要有以下两种：第1种是PI(聚酰亚氨)类树脂，其工艺称为PMP法(Plannar Metallization WithPolymers)；第2种为液态二氧化硅系涂料，其方法也称为SOG法(Spin On Glass)。两种介质均是利用液体的流动性将下层金属的台阶填平，形成一个平坦的衬底。该法具有平坦程度高，使用方便等特点。但由于一来受下层金属化的限制，介质膜无法经受高温固化；二来它们多由无机成分构成，普遍存在吸水／渗水性，为弥补这种不足，有人又研究了无机有机介质互补的混合介质法。它采用一层PI与一层无机介质LPCVDSiO2叠合的方法来对介质物理与化学性能加固，形成可靠平坦的介质。采用无机介质一次(多次)形成准平坦化(全平坦化)结构的方法基于等离子／反应离子沉积／刻蚀技术的发展。其中较为成功的是背部刻蚀法，即先在高低不平的介质面上涂布光刻胶，胶本身的液态流动性会自动调节凸凹不平片面上胶的厚度，最终形成一个平坦的表面。接下来采用RIE对整个片面进行刻蚀，通过对刻蚀机参数的合理选择，使其刻胶速度与刻蚀介质速度相当。凸起部分的介质由于最先遭受刻蚀而被削去，而凹处的介质会在相当长的时间里处于被保护状态，只要控制好这个时间就可得到一个相当好的平坦化基面。但该方法还需在介质与胶刻蚀同速率的控制和刻蚀终点的精确检测问题上做进一步的研究，以使重复性得以提高。随着对CVD技术研究的深入，又出现了偏压CVD以及ECR CVD(Electron Cyclotron Resonance CVD)等介质及金属的沉积技术。偏压溅射法是在溅射介质的同时，在硅片衬底上施加适当的偏压，由此可以形成台阶处过渡平缓的介质或金属层。施加在衬底上的RF偏压越大，表面越平整。不过当偏压过大时会使器件表面损伤增加。ECR CVD所采用的方法是以微波等离子源外加射频偏压的方法来沉积介质膜的。采用以上方法可一次形成准平坦化结构介质。有研究表明ECR CVD方法比偏压CVD方法在成膜方面具有更好的均匀性和稳定性。它们所共有的不足之处在于加工过程中，偏压等对器件的性能所带来的潜在影响，同时在膜的致密性等方面也有不足，在使用中尚需与别的方法复合使用，以弥补针孔和平坦化程度不高等方面的缺陷。多层布线中需要加以解决的另一个大问题是不同层间的金属接触问题。多布技术中广泛存在着的通孔(VIA)处接触电阻过大的问题，有时不仅不能使多层布线降低RC延迟，反而会增加RC延迟。VIA接触电阻之所以过大，主要可归结为金属布线材料的氧化以及不良的接触形貌。解决问题的出发点是在回避这一氧化层及改善通孔的接触方式上，选择不易氧化的金属是个可行的方法，但要遇到许多新的问题，如果不该变AL作为布线的材料时，则要从清除这一氧化层来入手。基于这一点，目前常用的方法一是用带有反溅射的金属沉积设备，对VIA处的氧化铝进行离子轰击清洗，在露出下层金属后开始沉积上层金属，由此形成良好的互联。如果使用常规溅射或蒸发形成上层铝膜时，则要增加通孔清洗工序，即可采用RIE干法也可采用浸湿法。但仍不同程度地存在着清洗程度的控制问题。另外，VIA处ALI的过度减薄也会带来该处电流密度过大等问题，并由此对电路的可靠性产生影响。实际上即使采用先进的反溅射设备，这些问题也同样存在。为此必须研究一种能保证多层布线中接触可靠性的新工艺。接触问题作为IC制造中的一大难题不仅存于多层布线的不同层间的金属接触之中，也共存于单层及多层布线的金属与硅材料的接触之间，多层布线的顺利使用同样要求解决与单层线共有的第一层布线的电极接触困难，电迁移，浅结穿通等一系列问题，为此可采取多层电极结构等技术方法。而多层布线不仅要求孔处的接触电阻小而且要求孔处的结构平坦。基于背部刻蚀技术，又出现了另外的一种“通孔”平坦化技术——柱式互联技术。它首先将第一层金属膜作成复合结构Al1－Cr－Al2其中Al2的厚度要比介质的厚度略大。刻蚀第一层布线时先将上层的Al2在“通孔”处加工成一个Al柱，夹层Cr的作用在于形成Al2刻蚀的终点。再以常规方式加工Al1及Cr形成第一层布线的主体导电层。然后将介质淀积在Al1上，由于Al柱与介质的厚度近乎相当，因而再对介质采用背部刻蚀加工“通孔”时，显露出来的则是Al柱的顶点，联结上下层金属的将是这个导电柱。采用这种结构可以克服常规方法中通孔侧壁的金属覆盖不全所诱发的一系列问题，对高层次的布线大有益处。人们进一步研究了两种孔均可采用的金属塞填充技术，其中以所谓的选择生长法最为成功，也最具发展前途。它利用金属生长的选择性，在孔处生成自对准的金属塞，一来填充了孔的凹槽形成了平坦化结构；二来在硅与联线金属间形成扩散阻挡层，解决了浅结电极中的一些问题。但还需在选择性的确保、纵向电迁移及复合结构的接触等问题上做进一步的研究。从多层布线总的发展来看，在今后一段时间里较难用单一的方法形成高可靠的多层而线，更多实用的则是几个不同方法的合理组合。多布线技术的发展一方面将依赖于相关新设备的不断出现，在另一方面有赖于金属／介质材料的本身与加工工艺的不断更新与成熟。多层布线的热点将集中于对器件无损设备的研制，特别是各式的CVD成膜设备，以及高可靠的金属选择生长设备与技术，另外，加固的高可靠的液态涂布材料也将随IC发展的需求应运而生。激光加工等新技术在多层平坦化中介质／金属的回流也将具有很大的发展潜力。【参考文献】：1 Schwartz G C，et al．J．Electrochem．Soc．，1975，122(11)∶15082肖文，微电子学，1981，6(8)3 Elkins P，et al．IEEE Cat．，1986，1004 Misawa Y，et al．Symposium on VLSI Technology，1986，595 Wilson R H，et al．1984 IEEE lst International VLSI Multilevel Interconnection Conference6 Machida K，et al．J．Vac．SCI．Technol．，1986；B4(4)∶8187 Ohmi T，et al．ULSI Science and Technology 1987∶5748 ［日］大场隆之，Semiconductor World 1989；12∶1979 张沈军，半导体技术，1992∶2(17)(张沈军撰) |
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