以下文章來源于ICPMS冷知識(shí)，作者gz07apple

集成電路(IC)是由數(shù)億甚至數(shù)十億個(gè)晶體管組成，這些晶體管在硅晶圓上并行工作。但是這些晶體管若不能相互導(dǎo)通，它們就不能實(shí)現(xiàn)指定功能。而這些金屬互連(Metal Interconnect)電路像是血管，確保電子信號(hào)在不同組件之間的順利傳輸。金屬互連中介質(zhì)層(Dielectric layer)的作用，是防止不同金屬層間的電子遷移，將不同金屬層相互隔離，避免物質(zhì)之間的擴(kuò)散或滲透等。

先來看一張金屬互連剖面圖：

一、金屬前介質(zhì)層

剖面圖中黃色區(qū)域?yàn)榻饘偾敖橘|(zhì)層，即PMD（Pre-MetalDielectric）。它位于襯底與第一金屬層（Metal 1）之間，是保護(hù)有源區(qū)免受雜質(zhì)粒子污染的絕緣介質(zhì)層，其沉積效果的好壞直接影響器件的性能。

隨著半導(dǎo)體器件尺寸的逐漸減小，沉積金屬前介質(zhì)層時(shí)所要填充的線縫寬度也越來越小，深寬比越來越大，填孔能力成為沉積工藝優(yōu)化的首要目標(biāo)。工藝通常選擇TEOS（正硅酸乙酯）、PSG（磷硅玻璃）或BPSG（硼磷硅玻璃）等材料進(jìn)行填充，利用高密度等離子體化學(xué)氣相沉積（HDPCVD）或次大氣壓化學(xué)氣相沉積（SACVD）工藝來制備金屬前介質(zhì)層。

二、金屬間介質(zhì)層

剖面圖中灰色區(qū)域?yàn)榻饘匍g介質(zhì)層，即IMD（Inter MetalDielectric）。注意，無論金屬前介質(zhì)層還是金屬間介質(zhì)層，都屬于層間介質(zhì)層，即ILD（Inter Layer Dielectric）。兩者區(qū)分在于，金屬前介質(zhì)層位于襯底和第一層金屬之間，而金屬間介質(zhì)層則是位于兩層金屬之間。

金屬間介質(zhì)層能夠確保每個(gè)金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)的相互獨(dú)立，防止串?dāng)_（Cross-Talk）。工藝通常選擇采用二氧化硅或其它低 k 材料，如FSG（氟硅玻璃）、OSG（有機(jī)硅玻璃）等進(jìn)行填充。比如將硅基前驅(qū)體OMCTS（八甲基環(huán)四硅氧烷）送入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）反應(yīng)腔，與氧氣反應(yīng)制備SiCO(H)低 k 材料薄膜。

電路導(dǎo)線電阻用R表示，寄生電容用C表示，由于R與導(dǎo)體的橫截面積呈反比，C與電容極板的距離呈反比，因此隨著制程微縮，布線之間的距離減小，電容與電阻均變大，產(chǎn)生RC延遲造成信號(hào)失真，影響芯片工作速度。

降低R與C，R=ρL/S，ρ是電阻率，L是導(dǎo)線長度，S是橫截面積，由于增大導(dǎo)體橫截面積不利于制程微縮，因此降低R的辦法是選取電阻率更低的導(dǎo)體，比如用銅替換鋁，然而在采用銅布線之后，短時(shí)間很難選擇其他導(dǎo)體完全取代銅來繼續(xù)降低電阻。

C=kA/d，A是橫截面積，d是介質(zhì)層厚度，降低橫截面積會(huì)導(dǎo)致電阻R增加，增加介質(zhì)層厚度會(huì)導(dǎo)致間隙填充更加困難，因此降低C的辦法通常是降低k值，采用低k 材料替代SiO2。低k材料的工藝壁壘在于保證薄膜較薄同時(shí)實(shí)現(xiàn)足夠的機(jī)械強(qiáng)度、高均勻性等。

三、刻蝕停止層

銅互連工藝需采用大馬士革結(jié)構(gòu)與化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)，通過刻蝕低k材料獲得溝槽和通孔來完成雙大馬士革圖形化工藝。為了對(duì)RC延遲的影響縮至最小，除了前面提到金屬間介質(zhì)層采用低 k 材料外，刻蝕停止層（Etch Stop Layer，ESL）材料的k 值也應(yīng)盡可能的低，從而降低金屬互連的整體介電常數(shù)值。刻蝕停止層還可作為其下方金屬導(dǎo)線的覆蓋層（Capping Layer），也是金屬擴(kuò)散的阻擋層（Barrier Layer）。

過去刻蝕停止層材料通常選擇Si3N4（k值約為7~8），其厚度必須盡可能薄。近年來也有采用SiCN（k值約為4~5）作為刻蝕停止層。SiCN（硅碳氮）是兼具寬禁帶半導(dǎo)體SiC和絕緣體Si3N4兩者優(yōu)點(diǎn)的新型材料，不僅具有高熱導(dǎo)率、高熱穩(wěn)定性、抗壓、抗輻射等特點(diǎn)，而且表面致密，對(duì)硅和二氧化硅都具有很好的附著性。SiCN薄膜通常使用 4MS（四甲基硅烷）作為硅源、氨氣作為氮源，通過 PECVD 工藝制備。