28nm Planar Flow 28nm 工艺步骤

NDC（SiCN）沉积建立物理屏障，防止铜扩散和与环境氧反应。

在完成 M2 层铜电化学沉积（ECP）及随后的化学机械平坦化（CMP）工艺后，平坦化后的铜与层间介质（ILD）表面会暴露在洁净室的环境中，这使得铜极易发生快速氧化和腐蚀。为了防止铜原子和离子在电场和热激活的影响下向周围介质快速扩散——这种扩散会降低金属间介质的绝缘性并导致经时介电击穿（TDDB）——必须沉积一层稳固的覆盖阻挡层。T8M3 NDC（氮掺杂碳化物，即 SiCN）沉积步骤作为关键的介电阻挡层和刻蚀停止层，直接沉积在 M2 铜线顶部。该步骤既能作为防止铜向外扩散的物理屏障，又能防止环境中的氧气与底层铜发生反应 （工程实践）。至关重要的是，NDC 层还在随后的 M3 双大马士革通孔图案化工艺中起到高选择性刻蚀停止层的作用 （工程实践），为晶圆后续的 NDC 后紫外（UV）固化以及氧化物/氮化物块体介质沉积步骤做好准备。

NDC 沉积的物理机制是利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，在与后段工艺（BEO

L）热预算相兼容的温度下（通常限制在 400 °C 以下，以防止铜重结晶或产生空洞）合成非晶氢化碳氮化硅（$a-SiC_xN_y:H$）薄膜。在 PECVD 工艺过程中，挥发性有机硅烷前驱体（如三甲基硅烷或四甲基硅烷）与氮气和氨气（$NH_3$）一同引入反应腔室中，并在射频（RF）能量的作用下分解为高活性的硅、碳和氮自由基 （工程实践）。这些自由基吸附在衬底表面，经历一系列复杂的缩合与夺氢反应，形成致密的交联非晶网络。在碳化物网络中加入氮元素至关重要，因为它能钝化悬挂键，通过调整电子态密度降低体漏电流，并能在后续的反应离子刻蚀工艺中针对二氧化硅建立极佳的化学刻蚀选择性。

选择 NDC（SiCN）而非化学计量比氮化硅（$Si_3N_4$）等其他介电阻挡层，是基于先进互连架构对电气性能的严格要求。尽管化学计量比氮化硅提供了优异的铜扩散阻挡能力，但其高介电常数（$k \approx 7.0$）会严重增加互连堆叠的寄生电容，导致电阻-电容（$RC$）延迟增大及功耗升高。NDC 提供了较低的介电常数（$k \approx 4.5 - 5.0$），同时保持了与前者相当或更优的物理扩散阻挡性能，从而防止铜迁移。与选择性沉积在沟槽内部以促进直接接触的金属阻挡层（如 TaN/Ta、Ru 或 CoW 合金）不同，NDC 必须是介电材料，以防止相邻共面铜线之间发生电气短路。该工艺窗口通过调节氮碳前驱体比例及等离子体密度进行调控 （工程实践）；增加氮气流量可提高薄膜密度和阻挡性能，但会增大 $k$ 值，因此需要进行精细的多变量优化以平衡可靠性与性能 （工程实践）。

在 28nm 节点，互连线间距（half-pitch）的缩减加剧了线间寄生电容对电路速度的影响，使得层间介质（IMD）堆叠的有效介电常数（$k_{eff}$）成为器件性能的主导因素。T8M3 NDC 沉积工艺专为 28nm 平面工艺流程设计，旨在提供尽可能薄的阻挡层轮廓，同时确保在高工作电场下实现零缺陷的铜包覆。该步骤与 M3_PLUS 模块中随后的介电沉积步骤（如 PEOX 和氮化物步骤）不同，因为 NDC 是唯一直接与活泼铜线接触的介电层，因此需要格外关注界面附着力、原生氧化物还原以及扩散阻力 （工程实践）。

[高] 界面附着力失效与分层：铜 CMP 工艺会在 M2 表面残留痕量有机杂质和原生氧化铜（$CuO_x$）。如果未通过沉积前等离子体处理将其彻底还原，或者由于 PECVD 过程中过度的离子轰击导致 NDC 薄膜表现出较高的本征压应力，则界面剪切强度将不足以承受高达 400 ℃ 的后续热循环，从而导致 Cu/NDC 界面发生分层（剥离）。
[高] 硅化铜形成与薄层电阻激增：过强的 $NH_3$ 或 $H_2$ 预处理等离子体，或者有机硅前驱体引入的时机不当，可能导致界面处形成不稳定的硅化铜（$Cu_xSi$）或出现高缺陷密度（工程实践）。这种界面退化会导致底层 M2 铜互连线的薄层电阻急剧增加，并促进空位聚集，从而严重降低电迁移（EM）寿命。
[中] 介电常数（k值）升高与 RC 损耗：PECVD 前驱体化学成分中过高的氮或氢浓度会增加非晶基体中高极化率 $Si-N$ 或 $N-H$ 键的密度。这会使 NDC 的介电常数超出目标窗口，进而直接增加 28nm 互连线的寄生电容，并导致严重的 $RC$ 延迟退化。
[中] 应力迁移与空洞化：NDC 薄膜中的高机械应力，加上铜与介质堆叠层之间的热膨胀失配，会在 M2 铜互连线内产生高局部三轴拉应力梯度（工程实践）。在随后的热处理（如 NDC 后续的 UV 固化）过程中，这种应力会驱动空位沿 Cu/NDC 界面处的晶界扩散并聚集，导致应力迁移空洞，最终造成电气开路失效。

NDC（SiCN）沉积建立物理屏障，防止铜扩散和与环境氧反应。

NDC 沉积的物理机制是利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，在与后段工艺（BEO

[高] 界面附着力失效与分层：铜 CMP 工艺会在 M2 表面残留痕量有机杂质和原生氧化铜（$CuO_x$）。如果未通过沉积前等离子体处理将其彻底还原，或者由于 PECVD 过程中过度的离子轰击导致 NDC 薄膜表现出较高的本征压应力，则界面剪切强度将不足以承受高达 400 ℃ 的后续热循环，从而导致 Cu/NDC 界面发生分层（剥离）。
[高] 硅化铜形成与薄层电阻激增：过强的 $NH_3$ 或 $H_2$ 预处理等离子体，或者有机硅前驱体引入的时机不当，可能导致界面处形成不稳定的硅化铜（$Cu_xSi$）或出现高缺陷密度（工程实践）。这种界面退化会导致底层 M2 铜互连线的薄层电阻急剧增加，并促进空位聚集，从而严重降低电迁移（EM）寿命。
[中] 介电常数（k值）升高与 RC 损耗：PECVD 前驱体化学成分中过高的氮或氢浓度会增加非晶基体中高极化率 $Si-N$ 或 $N-H$ 键的密度。这会使 NDC 的介电常数超出目标窗口，进而直接增加 28nm 互连线的寄生电容，并导致严重的 $RC$ 延迟退化。
[中] 应力迁移与空洞化：NDC 薄膜中的高机械应力，加上铜与介质堆叠层之间的热膨胀失配，会在 M2 铜互连线内产生高局部三轴拉应力梯度（工程实践）。在随后的热处理（如 NDC 后续的 UV 固化）过程中，这种应力会驱动空位沿 Cu/NDC 界面处的晶界扩散并聚集，导致应力迁移空洞，最终造成电气开路失效。

28nm Planar Flow预览

工艺截面图

本步要点

原理展开

风险与挑战

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