金屬導線材料的選擇

隨著電子科技產業的進步，短短的半個世紀，半導體積體電路 (Integrated Circuits)工業由 1958 年的第一顆積體電路發明到現在，其製 作技術已邁入超大型積體電路(Ultralarge-Scale Integration)，也使人類快 速地邁向高科技時代。在積體電路的製造過程中，金屬材料更是扮演 了一個非常重要的角色，而將金屬材料應用在積體電路的製造上，則 稱之為金屬化(Metallization)製程。因為金屬具有低阻抗的特性，故在 傳輸電流時，便可以從某個區域負載大量電流到達另一個端而只有極 小 的 電 流 耗 損 ， 因 此 金 屬 材 料 被 大 量 的 應 用 在 積 體 電 路 的 後 段

(Back End)製程上。表 1.1 列出在後段金屬連線上所需材料與製程上的 要求。但事實上目前並沒有任何金屬可以符合表 1.1 所列的所有要求，

因此必須從製程中加以改善並做取捨。

鋁，是金屬化製程中最被廣泛使用的一種金屬，因為它的諸多優 點，所以到目前為止，大部分積體電路的後段製程還是以它做為金屬 連線的材料。鋁會在表面自行生成一層緻密的氧化鋁(Al₂O3)，隔絕會 與鋁材造成氧化的物質及空氣中的水氣，而不致因為腐蝕導致金屬連

線失效，影響元件特性；與介電層(SiO2)的附著性良好；此外，鋁是第

四佳的電傳導金屬，僅次於銀(1.59 μΩ-cm)、銅(1.67 μΩ-cm)、

金(2.35 μΩ-cm)；以及沉積與蝕刻技術的成熟等，都是鋁導線沿用至 今的原因。雖然鋁本身還是有其材料上的缺點，但仍可透過製程的改 善來達到產品上的要求。表 1.2 是鋁與其他四種金屬的特性比較^[1]。

但是當單位面積上的元件密度不斷提高，及線寬降至深次微米尺 寸時，後段金屬連線製程就必須朝向多層化及微細化發展，因此對材 料的特性要求將更為嚴謹^[2]。圖 1.1 是不同的線寬世代(Generation)其積 體電路的時間延遲(Time Delay)^[3]。其中元件本身的延遲時間曲線約在 0.25 μm 的線寬世代與金屬連線的延遲時間曲線重疊，亦即小於 0.25 μm 線寬，或金屬層的層數大於五層以上時的結構，其延遲時間 將由金屬連線主導，這表示後段金屬連線結構的訊號傳遞速度已明顯 跟不上前段元件的訊號傳播速度，也就是電子訊號在金屬連線間傳送 的時間延遲(Time Delay)常數將大幅增加，使得元件的傳輸速度到達瓶 頸。要減低時間常數之延遲，可經由降低金屬之電阻率ρ或介電質的 介電常數 k 來達到目的。因此導線金屬的選擇是 IC 工業的主要課題，

其 中 包 含 電 阻 率 (Resistivity) 的 降 低 ， 較 佳 的 抗 電 致 遷 移 (Electron-migration)能力，及防止與矽基板間的相互擴散等。

目前在金屬鋁導線中均會主動添加約 1﹪的矽與約 0.5﹪的銅，形

成鋁矽銅(Al-Si-Cu)合金導線。因為矽在 400℃左右對鋁有相當程度的 固態溶解度(Solid Solubility)，因此，當鋁材在歷經溫度 400℃以上的製 程溫度時，會與矽表面發生擴散的現象，矽就會藉著擴散效應進入鋁，

而鋁也會回填矽因擴散作用所遺留下來的空隙，因此在鋁與矽接觸的 地方，會形成所謂的突穿現象(Spiking)。如果這些突穿的長度太長，甚 至超過了金氧半導體(Metal-Oxide-Semiconductor MOS)的汲極(Drain) 或源極(Source)的接面深度(Junction Depth)，則這個鋁與矽的接觸將會 因為短路而失效，稱之為接合突穿(Junction Spiking)。因此透過加入適 量的矽，使鋁對矽的固態溶解度飽和，就可以減少突穿現象的發生^[4]。 再者，由於鋁的抗電致遷移(Electron-migration Resistance)能力較差，假 如電致遷移的現象太過劇烈，將導致該金屬鋁線的斷路，因此加入原 子較大的銅金屬將可以減少電致遷移的現象，進而提高元件的可靠度 (Reliability)。

但目前廣泛使用的鋁矽銅合金導線在金屬連線的線寬持續縮至深 次微米與高度積集化世代，高電阻率的鋁合金導線在傳輸電流時，會 與週遭的介電層產生嚴重的偏極化(Polarization)現象，造成平行導線間 大量的側向電容(Lateral Capacitance)，導致極大的電阻電容時間延遲 (RC Time Delay)。而且又因本身較低的抗電致遷移特性，在高密度電 流的流動下極易導致產生空孔(Voids)或小突起(Hillocks)等缺陷，形成

斷路，而不再適用^[5]；而且當金屬連接線的截面積縮小後，亦較不符合 快速 IC 元件的要求^[6,7]。

因此，目前積體電路業界一致公認，具有低電阻率與高熔點的銅 金屬，是取代鋁合金做為積體電路元件金屬化製程的最佳內連接導線 材料^[8]。

銅金屬本身具有許多的優點：

(1) 低電阻率(1.7 μΩ-cm)；

(2) 熱傳導係數高(3.98 W/cm)；

(3) 抗電致遷移能力佳；

(4) 可以利用物理沉積、化學沉積、電鍍或無電鍍方式沉積薄膜；

所以在深次微米元件的多層金屬連線運用上倍受矚目^[9~12]。雖然如 此，若以銅做為金屬連線的材料仍有一些問題需要解決，例如：

(1) 在 200℃的低溫下，銅極易與矽反應形成銅矽合金(Cu3Si)，導 致元件退化及電阻率上升；

(2) 銅無法在表面自行生成連續氧化膜，因此在約 300℃的溫度 時，銅即會與氧化性氣體產生反應，形成 Cu_xO 氧化物，造成 表面腐蝕；

(3) 銅在低於 400℃以下溫度退火時就會發生晶粒成長，造成銅膜 表面變得粗糙且出現孔洞，使崩潰電流上升；

(4) 銅的鹵化物其蒸氣壓較低，因此以乾蝕刻方式定義圖樣(Pattern) 時，其反應的副產品(By-Product)無法揮發，導致蝕刻困難；

(5) 銅原子具有快速的擴散性。在電場的加速下，銅能穿透介電層 而快速的擴散，尤其針對矽基材，一但銅原子擴散至矽基材 中，會造成深層能階缺陷(Deep Level Trap)，而造成元件特性 退化及失效^[13~19]。

這也是早期 IC 製程不願採用銅作為金屬連接線的理由。雖然銅製 程仍有許多問題待克服，但因為其材料本身的諸多優點，使得在深次 微米的元件上，銅金屬的使用是勢在必行。