Ta-based liner deposition - 40nm 工艺步骤

TaN作为防止Cu扩散的主要阻挡层，而Ta层则为随后的Cu籽晶层提供了必要的附着力和润湿性。

MET5互连层采用Cu，旨在相比传统的铝体系显著降低RC延迟。然而，Cu会迅速扩散到相邻的SiO₂或low-k介质中，这可能导致深能级陷阱并引发灾难性的器件故障。因此，在后续的Cu籽晶层沉积之前，必须采用阻挡层和衬垫层系统。以Ta为基的系统（通常为TaN/Ta双层）被沉积到经过刻蚀和清洗的MET5沟槽和通孔中。TaN作为防止Cu扩散的主要阻挡层，而Ta层则为随后的Cu籽晶层提供了必要的附着力和润湿性。这一特定的MET5步骤位于BEOL堆叠中较高

的位置，为最终的Cu电镀填充做好结构准备，因此需要强大的电迁移保护和经时介质击穿（TDDB）保护。阻挡机制依赖于化学稳定性和微观结构来限制原子传输。根据菲克第一定律（Fick's First Law），原子扩散通量是由金属-介质界面上的浓度梯度驱动的。为了最小化这种通量，TaN层的沉积旨在形成非晶态或纳米晶结构，从而消除作为Cu快速扩散路径的连续晶界。TaN中的氮形成了强金属-氮键，提高了Cu原子穿透晶格所需的活化能。随后的纯Ta层提供了一个致密、稳定的金属框架，与Cu籽晶直接接触，弥补了阻挡层与导体之间化学不相容的问题。TaN/Ta双层是行业标准，因为它平衡了扩散阻挡能力和界面能量需求。选择TaN是由于其高熔点和热力学稳定性。同时，Ta确保了与Cu之间的低界面能，从而促进了优异的Cu附着力，并在机械上稳定了互连结构。物理气相沉积（PVD）因其高纯度和方向性控制能力而在此步骤中占主导地位，尽管在高深宽比通孔中的阶梯覆盖率需要仔细优化溅射功率和偏置电压（工程实践）。在反应溅射过程中调节氮气流量决定了TaN的化学计量比，这直接决定了阻挡效能与电阻率之间的权衡。在40nm节点，互连半间距极大地限制了主体Cu导体可用的横截面积。以Ta为基的衬垫层必须在不损害其阻挡完整性的前提下尽可能薄地沉积，因为如果衬垫层过厚，Ta和TaN相比Cu的高电阻率会不成比例地增加总线路电阻。与较低金属层（如MET1或MET2）中类似的衬垫层沉积步骤不同，BSI图像传感器中的MET5通常用作较厚的电源布线层或光学屏蔽层（工程实践）。因此，这种特定的沉积必须在潜在的更深形貌上保持绝对的共形性，同时最大限度地减少长距离信号传输的RC延迟损失。

[高] 铜向电介质的扩散：如果 TaN 层过薄或不连续，在浓度梯度的驱动下，Cu 原子会扩散进入相邻的电介质中。这种现象会在半导体中引入深能级陷阱，并导致与时间相关的介质击穿（TDDB）。
[中] 电迁移（EM）失效：如果 Ta 层被氧化或沉积质量较差，Ta 与 Cu 种子层之间的界面能会变得过高。该界面处较差的附着力会加速电应力下的原子迁移，从而导致空洞形成和 EM 失效。
[中] 互连电阻过高：Ta/TaN 双层膜的过度沉积会占用过多的沟槽横截面积。由于 Ta 和 TaN 的电阻率远高于 Cu，用较厚的阻挡层材料替代 Cu 体积会显著增加互连的整体 RC 延迟。
[低] 台阶覆盖率不足：定向 PVD 工艺可能会在沟槽开口处形成悬垂结构（overhang），限制了到达通孔底部的 Ta/TaN 通量。这种结构缺陷会限制后续 Cu 种子层的沉积，导致润湿不完全，进而引发 Cu 电镀过程中的空洞形成。

TaN作为防止Cu扩散的主要阻挡层，而Ta层则为随后的Cu籽晶层提供了必要的附着力和润湿性。

[高] 铜向电介质的扩散：如果 TaN 层过薄或不连续，在浓度梯度的驱动下，Cu 原子会扩散进入相邻的电介质中。这种现象会在半导体中引入深能级陷阱，并导致与时间相关的介质击穿（TDDB）。
[中] 电迁移（EM）失效：如果 Ta 层被氧化或沉积质量较差，Ta 与 Cu 种子层之间的界面能会变得过高。该界面处较差的附着力会加速电应力下的原子迁移，从而导致空洞形成和 EM 失效。
[中] 互连电阻过高：Ta/TaN 双层膜的过度沉积会占用过多的沟槽横截面积。由于 Ta 和 TaN 的电阻率远高于 Cu，用较厚的阻挡层材料替代 Cu 体积会显著增加互连的整体 RC 延迟。
[低] 台阶覆盖率不足：定向 PVD 工艺可能会在沟槽开口处形成悬垂结构（overhang），限制了到达通孔底部的 Ta/TaN 通量。这种结构缺陷会限制后续 Cu 种子层的沉积，导致润湿不完全，进而引发 Cu 电镀过程中的空洞形成。

40nm BSI CMOS Image Sensor预览

工艺截面图

本步要点

原理展开

风险与挑战

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