本文介紹了半大馬士革工藝：利用空氣隙減少寄生電容。

隨著半導體技術的不斷發展，芯片制程已經進入了3納米節點及更先進階段。在這個過程中，中道（MEOL）金屬互聯面臨著諸多新的挑戰，如寄生電容等問題。為了應對這些挑戰，人們提出了大馬士革（semi-damascene）工藝，特別是在使用釕（Ru）作為互連材料時，這種工藝顯示出了顯著的優勢，尤其是通過引入空氣隙來減少寄生電容。

傳統銅互連的問題

在傳統的銅互連工藝中，隨著制程節點的不斷縮小，寄生電容和電阻問題變得日益嚴重，導致信號延遲增加，性能下降。為了解決這些問題，研究人員開始尋找替代材料和技術。

釕（Ru）作為互連材料

釕（Ru）作為一種低電阻、高可靠性的金屬，成為了下一代互連材料的有力候選。釕具有以下優點： 低電阻：釕的電阻率遠低于鈷（Co），接近于銅（Cu），即使在極小尺寸下，其電阻增長速度也較慢。 高可靠性：釕具有出色的抗電遷移能力和高可靠性，特別適合未來的5納米及更先進節點。 惰性和硬度：釕具有很高的惰性和硬度，不易通過化學機械拋光（CMP）去除，這使得傳統的雙大馬士革工藝在CMP過程中容易對低k介質造成損傷，導致成品率下降。

空隙的重要性

空隙（airgap）在半大馬士革工藝中起到了關鍵作用，它可以顯著降低金屬線間的寄生電容，從而減少RC延時。具體來說，空氣隙的引入可以： 減少電容：空氣隙的介電常數接近于1，遠低于傳統介質材料（如二氧化硅，介電常數約為3.9），因此可以顯著降低寄生電容。 提高性能：通過減少寄生電容，可以提高信號傳輸速度，減少信號延遲，從而提升整體性能。 降低功耗：減少寄生電容還可以降低信號傳輸過程中的能量損失，從而降低功耗。

半大馬士革工藝流程

M1 Ru刻蝕：使用介質作為掩模，刻蝕出M1層的釕金屬線圖案。 空氣隙形成：使用ALD沉積一層絕緣層，在M1層的釕金屬線之間形成空氣隙，以減少寄生電容。 選擇性通孔刻蝕：刻蝕出通孔，以便連接上下層金屬線。 M2 Ru沉積：在通孔和M2層的圖案上沉積釕金屬。 M2 Ru刻蝕和空氣隙形成：刻蝕出M2層的釕金屬線圖案，并在M2層的釕金屬線之間形成空氣隙。

空隙的挑戰與解決方案

盡管空氣隙在減少寄生電容方面具有顯著優勢，但在實際應用中仍面臨一些挑戰，例如空氣隙閉合的控制、平面化的要求等。研究人員通過仿真和實驗，逐步解決了這些挑戰，確保了工藝的穩定性和可靠性。

空氣隙閉合控制：在M1層的釕金屬線之間形成空氣隙后，需要精確控制空氣隙的閉合，以確保空氣隙不會在后續工藝步驟中意外打開。這需要高精度的刻蝕和沉積工藝。 平面化：空氣隙形成后，需要進行平面化處理，以確保介質層的表面平整，不影響后續工藝步驟。這通常通過化學機械拋光（CMP）實現。 材料選擇：選擇合適的空氣隙閉合材料（如SiCN）和刻蝕工藝，以確保空氣隙的穩定性和可靠性。