阻挡层-----------纳米集成电路制造工艺 张汝京等 编著

阻挡层要有良好热稳定性和阻挡性能，与铜以及介电材料要具有良好的黏附性；阻挡层工艺要做到良好的侧壁覆盖率，良好的薄膜连续性。经过很多研究者的尝试和分析，钽作为阻挡层材料有很多优于其他材料的特性，如今应用最为广泛的也是Ta或TaN。我们知道阻挡层材料有很高的阻值，阻挡层的使用增加了连线的电阻，对通孔的电阻有决定性的影响。在达到预期阻挡性能的前提下，我们要适当控制阻挡层的厚度。

TaN 本身的结构会影响其阻挡性能，非晶态的TaN比多晶态的阻挡性能更好，晶界是一个快速的扩散通道，铜会沿晶界扩散到介质中去。TaN薄膜的致密性也是影响阻挡性能的一个关键要素。

传统的物理气相沉积不能满足阻挡层的制程要求，因为我们面临的是高深宽比的结构。因为传统的物理气相沉积（PVD）无法控制粒子的入射角。大角度的粒子不仅无法进入沟槽或者通孔，而且会在开口位置富积，对后续的粒子进入沟槽或通孔造成困难。开口的缩小也会大大增加后续电镀铜制程的难度。PVD 沟槽填充如图6.24所示。

提高填充能力最直接的办法是控制入射粒子的方向性。早先的研究者开发出一种制程叫离化金属物理气相沉积（ionized physical vapor deposition,IPVD）。该制程利用感应耦合线圈产生等离子体，对金属有较高的离化率。金属离子受到基底表面鞘区电场的作用，运动方向会趋向与基底表面垂直。自发产生的偏压是由等离子体的特性决定的，如果对基底使用一定的电容耦合器件，可以大大提高基底的偏压，增强基底对离子的吸引。IPVD 制程如图 6.25 所示。

离子化金属物理气相沉积有非常好的底部覆盖率，但是侧壁的覆盖率并不是很理想。除了离化金属的方法，通过long throw 和添加准直器（collimator）的办法也可以控制粒子的方向性。Ta（N）薄膜累积到一定的厚度很容易 peeling，形成微粒或者片状物掉落到基底上，很难保证薄膜的质量，所以准直器很难添加到阻挡层的制程中。Long throw 是一个可行的选项，不考虑粒子的散射，在靶材有效区域（能够被溅射到的区域）一定的情况下，通过控制晶圆与靶材之间的间距，就可以把大角度的粒子过滤掉，有一定角度的粒子会被保留下来，保持了良好的侧壁覆盖。散射率是另外一个影响入射角的关键因素。如果平均自由程太短，long tbrow的制程会大大增加粒子的散射概率，对入射方向的控制甚至会起到适得其反的效果。要减少散射，必须降低气压，但是气压过低传统的等离子体很难维持。有研究者发现当溅射源输出的能量密度达到某个临界值，不依赖 Ar，仅靠金属离子本身就可以维系等离子体。自维持的物理气相沉积系统（SIP）大大改善了阻挡层沉积工艺，一方面实现了超低压long throw 的物理气相沉积，另外一方面自离化的系统产生的金属粒子本身具有很高的离化率，离化的金属就会受到基底偏压的校准作用。自离化工艺的实现归功于溅射源的设计优化，只有高金属离化率才能维系稳定的等离子体。自离化的物理气相沉积系统大大提高了阻挡层的阶梯覆盖率，让物理气相沉积在互连技术中走得更远。

除控制入射角之外，利用反溅射（离子轰击基底）的办法也可以提高侧壁覆盖。在等离子体环境中，晶圆表面是有负偏压的，通过电容耦合器件可大大增加鞘区电压。晶圆表面偏压对金属离子有调节入射方向的作用，但是如果偏压大到一定程度，入射到晶圆表面的离子能量就会超出晶圆表面物质的溅射阈值，起到对晶圆表面的溅射作用，一般把这种对晶圆表面的溅射作用称作反溅射（re-sputter）。反溅射的实现有两个必要条件：①靠近基底表面有充足的离子；②基底上加载足够的负偏压。反溅射可以让沉积在底部的金属转移到侧壁上，增加侧壁的覆盖率（见图6.26）。可以在沉积时保持一定的反溅射率，也可以在独立的制程步骤反溅射，要在独立的步骤实现反溅就需要一些独立的单元来维持反溅射需要的等离子体。具有独立反溅射功能的物理气相沉积（Advanced lonized Physical Vapor Deposition, AIPVD）能够大大降低通孔电阻，提高连线的良率和稳定性。当反溅射达到一定的量，通孔底部的阻挡层就会被打开。如果通孔底部被打通，少量的残留物和氧化铜在这个过程也会除去，这样的反溅射同时起到对通孔底部的清清作用，在阻挡层沉积前的预清洁也可以省去，这种制程一般叫做阻挡层优先工艺（barrier first）。阻挡层优先的制程能够获得较低的通孔电阻，并且避免了预清洁制程带来的副作用。

但是过量的反溅射必然会破坏沟槽和通孔的形貌，会导致粗糙的介质表面，随着介质材料介电常数的降低，材料的孔隙率也呈逐渐增大的趋势，孔隙率越大，结构强度越低，对物理轰击的抵抗力就越小。以新一代的低介电常数介质材料为基础的后段工艺必然会严格控制反溅射的用量。当然也有人通过反溅射工艺参数的优化来加大对沟槽通孔结构的保护，主要是利用方向角分布较大的中性粒子来补充容易受到损伤的拐角位置，这样的调整一定程度上增加了反溅射制程的延伸性。

随着互连线的尺寸进一步缩小，阻挡层在互连线电阻中的贡献越来越大，在保持薄膜阻挡性能的前提下降低阻挡层的厚度就成为一个很关键的问题。PVD的方法趋于极限，一些新的方法也逐渐完善。例如原子层沉积（Atom Layer Deposition,ALD）阻挡层工艺，这种工艺与PVD相比具有极大的填洞优势，能够做到极好的侧壁覆盖。另外一方面 ALD能够形成很薄（10A 左右）而且连续性很好的薄膜，这样可以增加铜线的有效截面积，减小铜线的电阻。但是ALD 的方法还要面对一些工艺整合上的挑战，如和种子层之间黏附性的问题，沉积过程中气体往多孔介质材料中扩散的问题等。ALD究竟在何时取代 PVD还要看 ALD 技术的完善以及PVD技术本身的发展。