集成电路新工艺技术的发展趋势(3)
从 14 nm 节点开始,低 k 侧墙技术被引入制程技术,图 8 给出侧墙 k 值与寄生电容之间关系的模拟曲线。除了低 k 侧墙技术,空气侧墙技术也在研究中,如能应用于量产工程,将最大程度减小 Contact 与 Gate 之间的寄生电容。
5源漏硅化物技术
5.1 钴硅化物 CoSi2
钴硅化物最先被应用于从 0.18 μm~90 nm 技术节点,其主要原因在于它在该尺寸条件下没有出现线宽效应。另外,钴硅化物形成过程中的退火温度相比于钛硅化物有所降低,有利于工艺热预算的降低。
当技术向前推进到 65 nm 以下时,CoSi2 相变成核过程出现线宽效应。另外,随着有源区掺杂深度不断变浅,钴硅化物形成过程中对表面高掺杂硅的过度消耗也变得不能满足先进工艺的要求。
5.2 镍硅化物 NiSi
对于 65 nm 及其以下技术节点的半导体工艺,镍硅化物(NiSi)成为接触应用上的选择材料。相对于之前的钛钴硅化物而言, 镍硅化物具有一系列独特的优势。镍硅化物仍然沿用之前硅化物类似的两步退火工艺,但是退火温度有了明显降低(< 600 ℃),这样就大大减少对器件已形成的超浅结的破坏。从扩散动力学的角度来说,较短的退火时间可以有效地抑制离子扩散。因此,尖峰退火(Spike Anneal)越来越被用于镍硅化物的第一次退火过程。该退火只有升降温过程而没有保温过程,因此能大大限制已掺杂离子在硅化物形成过程中的扩散。为了防止 NiSi 过度扩散形成尖峰和管道,溅射靶材使用 NiPt 合金靶,Pt 含量在 5%~10%
5.3 钛硅化物 TiSi2
钛硅化物 TiSi2 因具有工艺简单、高温稳定性好等优点,被最早广泛应用于 0.25 μm 以上 MOS 技术。但随着器件尺寸微缩,因为 TiSi2 的线宽效应和形成过程中较大的热预算而被取代。发展到 16/14 nm 节点,TiSi 取代 NiSi 重新成为集成电路主流技术。其原因主要有:16/14 nm 硅化物厚度变得很薄,体电阻不再是决定源漏接触电阻的重要部分,TiSi 在 NMOS 中肖特基势垒较低,具有更低的接触界面电阻,因此总接触电阻更低;TiSi 工艺比 NiSi 简单,只需要一次退火,多余的 Ti 可作为接触黏结层(Contact Glue Layer),节约步骤,降低成本;NiSi 的 piping 和 spiking 现象比较严重,改用 TiSi 能降低漏电。
6自对准接触孔技术
随着集成电路技术微缩到 14 nm 或 7 nm 节点以下,光刻工艺达到极限。光刻定义的图形尺寸难以满足最小关键尺寸的要求,必须借助于干法刻蚀来精确控制最后硅片上接触孔图形尺寸的大小。曝光显影过程中的光罩对准(overlay)异常艰难,稍有偏差就会使得电路发生短路或者断路,从而使得晶圆报废。在此背景下,自对准接触孔技术(Self-Aligned Contact)变为首选解决方案。如图 9 所示,自对准接触孔刻蚀技术是在光刻定义的较大的图形范围内,通过刻蚀程序对不同材质间的刻蚀选择比不同而形成的接触孔。在满足侧墙被刻蚀量足够小的情况下,要保证接触孔与有源区及栅极的顺利连接。自对准接触孔的研发将为实现这一目标成为可能。图 9 为 SAC自对准接触孔技术。
在 FinFET 技术开发过程中,由于 Fin 的三维立体结构,极大增加了接触孔蚀刻的工艺难度。Fin的三维立体结构使得接触孔的底部会高低起伏。而 Fin 间的氧化硅很难被去除掉。接触孔刻蚀需要通过增加过蚀刻来保证源极与漏极上没有氧化硅残留,同时还需要严格控制蚀刻工艺对源极与漏极材料的破坏,这需要精确控制氧化物对氮化硅的刻蚀选择比。图 10 为 FinFET 工艺接触孔刻蚀面临的挑战
7后段低 k 铜互连技术
7.1 低 k 介质
low-k 技术就是就是把介电常数(k)较小的材料作为芯片内部电路层之间的绝缘介质 ILD(层间电介质),减少各层电路的相互干扰,以提升芯片的稳定性和工作频率。尽管 low-k 材料有许多技术优势,但除了低介电常数的特性以外,还需要具备以下性质:在电学性能方面,要有高击穿电压、低损耗、低漏电流和非等向特征;在力学方面,要有高附着力、高硬度、高机械强度和低残余应力;在化学性能方面,要符合低的释气量、不与金属反应、高的疏水性等特性;在热学方面,要有高热稳定性、低热膨胀系数和高热导率。与 SiO2 相比,low-k 材料密度较低,这样带来两个问题,一是热传导性能较差,不利于芯片内热量的散发,由此导致芯片热稳定性变坏;二是铜更容易扩散进入绝缘层材料的孔隙引起可靠性问题。因此,自 28 nm 节点起,其 k 值在很长时间内维持在 2.55 附近,原因在于降低后段互连寄生电容的同时,还要保证互连工艺通过可靠性验证。因此 7 nm 及以下节点,一方面继续寻找更低 k 值的互连介质。另一方面要改善工艺的可靠性甚至可能会用到比 k 值 2.55 更高的互连介质材料。