1.1 深次微米元件金屬導線的需求
金屬化(metallization)是將構築在矽晶片上之電子元件，以金屬導線相連接而形成完整電 路(circuit)之製程【1】。隨著元件尺寸不斷縮小、運算速度不斷提升及製程技術快速的發展，製 程技術由大型積體電路(Very-Large Scale Integration, VLSI)邁入超大型積體電路(Ultra-Large Scale Integration, ULSI )的世代，而這使得金屬化成為一個非常重要的關鍵技術。
當導線的線寬變小，導線截面積將因此縮小，造成通過之電流密度大幅提高(109A/cm2)，
延遲就會快速上升；因此如果要降低此RC 延遲，就必須從降低金屬之電阻值ρ或介電質之介 電常數ε著手不可。
圖1-1 元件閘極長度與內接線寬對 RC 延遲時間的關係【2】。
1.2 金屬導線材料的選擇
隨著半導體製造技術的演進成長，元件傳輸速度也隨之大幅增加。在晶片單位面積上的 電子元件密度增加。在自然界中適合做金屬導線材料之金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au) 等四種，而其各種性質則列於表1-1。
由於金(Au)本身具有較低的電阻值及良好的抗腐蝕性與抗電子遷移性，因此在早期的 IC 工 業 上 金 金 屬 導 線 材 料 亦 曾 被 使 用 。 然 而 ， 其 缺 點 為 低 溫 下 易 與 矽 金 屬 形 成 一 復 合 (recombination)中心，且不易進行乾蝕刻處理。至於銀(Ag)金屬雖可提供更低的電阻值(1.59 μΩ-cm)，但在一般的環境下極容易被腐蝕，因此也被排除於 IC 工業的金屬導線材料應用之 外【1】。
金屬鋁(Al)是積體電路中一直使用的導線材料，因為技術成熟、附著力強、易蝕刻、且 與N+/P+易融合成極佳之歐姆接觸(ohmic contact) 【3】。但是矽在鋁中有一定之固態溶解度(solid solubility)，使得在多層金屬內連線(multilevel interconnect)的鋁與矽接面(junction)上產生尖峰 (spiking)現象，增加了接面的漏電流(leakage current)；鋁金屬內連接線另一重要問題是電子遷 移(electromigration)現象的發生，此現象是當鋁導線處於傳導電流的狀態時，鋁原子受電場的 影響將沿著晶粒邊界(grain boundary)隨著電子的流動而移動，而若此現象過於劇烈時，將導 致鋁金屬線的斷路(open)。在以往鋁製程中，通常都加入 TiN/Ti 或 TiW 所構成之擴散阻障層 (diffusion barrier)以及採用鋁銅矽金屬導線來克服尖峰與電子遷移現象。但是在 0.15µm 及以 下元件，鋁的電阻值與抗電子遷移能力及TiN 的障壁能力皆己不符合要求。於是，尋找一個 低電阻值(resistivity)、高抗電子遷移能力(electromigration resistance)之金屬導線材料是相當重 要的。
由於相位快速的轉換導致金屬線被鄰近的線干擾所產生的擾亂情況，通常是設計高性能電路 推出利用銅鑲嵌技術(Cu damascene technology)及使用 6 層銅導線/SiO2介電層之0.21 µm 技術 進行高效能晶片製作，並推出第一顆採用銅金屬導線之微處理器 (power PC-750，400 MHz) ，完全取代過去所使用的鋁內連接導線系統，而使半導體技術全面翻新；隔年第一季，
IBM 公司再度發表利用 0.15 µm 銅製程技術為基礎，將銅導線結合新式設計之”溝槽細胞”
(trench cell)技術，發展新型單一晶片系統(稱為”System on a Chip”)處理器。此一由銅金屬化製 程延伸出之高性能微處理器的諸多潛在優點更使銅金屬化製程成為半導體製程中重要的關鍵 材中將會與矽作用而導致銅金屬穿透電晶體的接面造成短路；同時銅在矽中是一種deep-level acceptor 的摻質(dopant)，並形成高度復合中心(recombination center)，即使不短路也會影響少 數載體(minor carrier)的壽命(lifetime)，而增加接面(junction)的漏電流(leakage current)，進而造 成元件的退火與失效【7】。為了防止銅到達矽的區域破壞元件，銅導線與栓塞(plug)必須在所 有的方向與層次完全的封住。所以必須在銅與矽的界面上，增加一層用來隔離它們兩者的擴 散阻障層(diffusion barrier)，以阻止銅與矽的反應；並且必須薄到最佳化銅的截面積。
表1-1 金屬導線材料之各種性質比較【6】。