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铜布线面临生产实际挑战
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Copper Interconnects Face Fab Realities
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铜布线工艺
在集成电路布线中，铝被广泛使用，其布线工艺较为简单。1997年9月，IBM公司率先推出一种称为CMOS 7S的新技术，该技术在集成电路设计中采用铜代替铝作为外部导电材料，使电路布线的尺寸更加微小，芯片处理逻辑运算的能力更强。
1997年,IBM公司发布了可用于集成电路生产的铜布线工艺。1998年，AMD公司便开始向铜布线工艺转移，这在当时是相当冒险的。因为没有哪家公司能够提供成熟的量产设备，而进行化学分配和废水处理的设施也没有现成的。很多人都觉得这是在拿整个公司作赌注。甚至现在许多厂商都觉得采用铜布线风险很大，而持谨慎的态度。虽然现在AMD公司的"铜计划"使其微处理器性能得到显著提升，并从竞争对手Intel那里抢占了很大的市场份额，可鲜有其它公司取得这样的成功。
在实验室里，铜布线技术上面临的问题大多已经解决，但要将铜工艺应用于大规模生产还需要注意很多方面的问题，如生产线设计、工艺集成和生产管理。
防护设施
将铜工艺（或其它工艺）集成到生产线并实现生产的速度是获利的关键。但现有工厂从铝工艺转向铜工艺时，首先要对已有工艺加以保护，以防止铜污染。
即使浓度很低，铜对晶体管也有破坏作用。在考虑进行批量生产之前，应当在前端工艺的接触区域增加防护措施，以防止铜扩散。而此前应先设立实验室规模的防扩散措施。
现在多数工厂前端工艺和后端工艺的光刻设备是分开的，但铜布线和铝布线两种工艺却使用相同的设备。许多污染问题不是很明显。只有在多个晶圆上进行多次实验后才会显现出来。
如今工艺材料每4到5年就会出现一次变化，首先是铜，后来是低k电介质陆续进入生产工艺。而在铝的时代，这种显著的变化每10到20年才会出现一次。这使工厂的基础设施必须能以较低的成本快速适应新的材料。
例如，铜双大马士革（dual damascene）工艺的两个关键步骤--电镀和化学机械抛光都是湿法化学工艺。这些工序会消耗大量的水，并产生大量的酸性物质和重金属废弃物。工艺过程需要大量的泥浆、电镀溶液和其它液体原料。新工厂可以为这些原料建立大型的化学分配系统和废水处理设施，而要在原有工厂建立这些设施却非常困难。典型的晶圆厂的传输系统都是围绕气体和去离子水设计的，并非泥浆和电镀化学用品。
新化学用品也产生了新的工业卫生问题。这些物质对人体的危害可能还没有很好的检定，安全的暴露程度也不能确定。比如，低k电介质中截留的胺化合物会释放气体并污染抗蚀剂，而消除这一问题的有机溶剂对人体健康是有害的。
多数工厂都意识到铜工艺生产线的设施很复杂，而往往忽视在工艺集成方面潜在的问题。
工艺集成
工艺集成过程中需要作的调整量也增加了难度。铝布线工艺已经有数十年历史了，工艺换代时只需要作少部分调整。而铜布线工艺却在根本上改变了连接结构。电镀铜方法也是全新的。尽管化学汽相沉积（CVD）和物理汽相沉积（PVD）早已存在，但从没有被应用于生成铜的阻挡层和种晶层。铜的化学机械抛光（CMP）与铝或钨的抛光差别也很大。
结构完整性、镀铜、抛光、阻挡层与种晶层生成及抗蚀工艺在工艺集成工程中都会产生很多问题，许多方面都要改变。制造商都各自进行工艺设计，可能不愿与他人分享自已的经验。
同时，各工厂的工艺成熟程度不同，尤其是在193nm阻挡层和低k电介质方面，并非每种集成设计都可以用到其它工厂。
铜与氧化物
一些原来遇到过的问题在铜布线工艺中会换一幅面孔出现。10到15年前异常析晶在铝布线工艺中是一个主要问题，后来通过采用掺杂硅和铜得以解决。现在，铜的异常析晶使晶圆工厂更加注意热循环过程。
另一方面，一些铜工艺集成中遇到的问题却是全新的。铜跟铝一样非常容易氧化，但和铝不一样，铜氧化物不会形成自抑制层。如果不消除这些氧化物就会使阻挡层无法附着。部分在抛光过程中使用的防氧化剂会产生有机物残留。在部分工厂这种残留会产生很多问题。
即使外部条件不错，铜也很难与钽阻挡层附着的很好。不经过相应的热处理，铜和坦会形成分离的小块。而在铝布线工艺中这并不是什么问题。
铜和低k电介质
采用低k电介质技术遇到的困难更多。低k电介质技术的引入相对落后了4到6年。这一技术的延迟引入使铜布线的很多优势没有发挥出来。早期的130nm工艺的逻辑设计有9层铜，与铝布线工艺是一样。其中很大一部分都用来补偿SiO2的高电容。
电容会比电阻造成更多的串扰、噪音和功耗。过高的噪音会把晶体管的开/关信号淹没。低噪音可允许设计者降低操作电压，从而降低功耗。如果没有低k电介质，设计者就得通过扩大金属线间距的方法降低电容。与铝连线相比，使用较短的铜线就可以实现相同的电阻，而其电容较低。
多数晶圆厂在130nm工艺中使用氟化硅玻璃(FSG)。氟化硅玻璃的性质与SiO2相似，原来也被用于铝连线。
特许半导体公司（Charted Semiconductor）已经利用5层铜和Novellus公司的Si-O-C电介质取得了成功。该公司计划在其130nm工艺中采用低k电介质。特许半导体还计划在100nm工艺中采用Si-O-C，但采用介电常数低于k
= 2.7的Si-O-C材料，其可靠性无法与采用SiO2相比。
从SiO2或者氟化硅玻璃向SiLK或化学汽相沉积Si-O-C的转变就象从铝转向铜一样是一个巨变。这些材料的转变都产生了很多问题。
道尔化学公司（Dow Chemical）的SiLK材料热膨胀系数很大。在热处理过程中，这种材料会撑裂化学汽相沉积的硬掩膜和扩散阻挡层。但使用这种材料制版却很方便。Si-O-C则相反，其热膨胀系数比SiO2更接近铜，但其制版却很困难。Si-O-C会吸收氮气，化学反应后会生成胺化合物。这些胺化合物在热处理过程中会渗入光刻胶。深紫外线（DUV）和193
nm抗蚀层都对胺非常敏感。这些物质向外扩散会使抗蚀层产生无法消除的斑点并导致刻蚀问题。
氮气在整个半导体制造过程中充当惰性气体，但在工艺中很难去除。硬掩膜可以简化布线图案制作，但会增加层数，提高成本和有效介电常数。
SiC经常被用作防护层和扩散阻挡层。在采用Si-O-C作为电介质时，与SiC一起很难进行较好的选择性蚀刻。高选择性蚀刻会产生聚合物残留。要清除这些物质，可以用硅烷醇基替换Si-O-C中的碳原子，但这会提高其介电常数。
生产问题
晶圆厂制定出可靠的工艺集成方案后，下一步就是规模化生产。要得到成熟的工艺，唯一的途径就是对工艺中成千上万的晶圆进行检验。晶圆生产厂不得不重新制定生产规格，建立故障记录库和制定新的检验方法。不开工生产就无法对铜工艺进行完善。
在AMD的后端工艺采用铜工艺后产量明显超过了铝工艺。经常的进行缺陷检查是其成功的原因之一。
化学机械抛光和电镀工艺现在还尚未完全成熟。经常进行检查可以发现出错的区域。但要注意，检查规程中必须要把化学机械抛光和电镀中产生的缺陷区分开。
蚀刻残留物是另外一个造成铜填充问题的主要原因之一。铝的通路蚀刻只会去掉氧化层区域的2%。而双大马士革工艺却会蚀刻掉接近20-30%的氧化层。蚀刻残留物会造成很严重的后果，甚至很微细的残留物可能也会造成很多问题。如果残留物妨碍了种晶层的生成，就会造成有缺陷的填充。
电迁移是IBM早期从铝转向采用铜的主要原因之一，现在这一问题同样也成了铜连线面临的主要问题。采用铝布线时，电迁移发生在材料的内部。大规模的电迁移与铝布线的表面积相关性不太强。而铜的电迁移发生在表面，铜部线表面积的增加会使这一问题更突出。要控制电迁移就必须对铜和阻挡层接触面进行认真处理。
晶圆厂将会为铜而改变
大多数制造商都已经开始谨慎的向铜布线靠拢，但现在多数工厂只是投建实验线。随着技术的进步及对更小更快的电路的需求，最终大部分晶圆厂都将为铜而改变。
尽管生产线设计、工艺集成和生产方面都存在很多风险，但这些困难是可以克服的。最大的危险应该是因循守旧。晶圆厂只有尽早进入铜工艺时代才能抢得先机。
(Johnson)
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