以下文章來源于ICPMS冷知識，作者gz07apple

集成電路(IC)是由數億甚至數十億個晶體管組成，這些晶體管在硅晶圓上并行工作。但是這些晶體管若不能相互導通，它們就不能實現指定功能。而這些金屬互連(Metal Interconnect)電路像是血管，確保電子信號在不同組件之間的順利傳輸。金屬互連中介質層(Dielectric layer)的作用，是防止不同金屬層間的電子遷移，將不同金屬層相互隔離，避免物質之間的擴散或滲透等。

先來看一張金屬互連剖面圖：

一、金屬前介質層

剖面圖中黃色區域為金屬前介質層，即PMD（Pre-MetalDielectric）。它位于襯底與第一金屬層（Metal 1）之間，是保護有源區免受雜質粒子污染的絕緣介質層，其沉積效果的好壞直接影響器件的性能。

隨著半導體器件尺寸的逐漸減小，沉積金屬前介質層時所要填充的線縫寬度也越來越小，深寬比越來越大，填孔能力成為沉積工藝優化的首要目標。工藝通常選擇TEOS（正硅酸乙酯）、PSG（磷硅玻璃）或BPSG（硼磷硅玻璃）等材料進行填充，利用高密度等離子體化學氣相沉積（HDPCVD）或次大氣壓化學氣相沉積（SACVD）工藝來制備金屬前介質層。

二、金屬間介質層

剖面圖中灰色區域為金屬間介質層，即IMD（Inter MetalDielectric）。注意，無論金屬前介質層還是金屬間介質層，都屬于層間介質層，即ILD（Inter Layer Dielectric）。兩者區分在于，金屬前介質層位于襯底和第一層金屬之間，而金屬間介質層則是位于兩層金屬之間。

金屬間介質層能夠確保每個金屬互聯結構的相互獨立，防止串擾（Cross-Talk）。工藝通常選擇采用二氧化硅或其它低 k 材料，如FSG（氟硅玻璃）、OSG（有機硅玻璃）等進行填充。比如將硅基前驅體OMCTS（八甲基環四硅氧烷）送入等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）反應腔，與氧氣反應制備SiCO(H)低 k 材料薄膜。

電路導線電阻用R表示，寄生電容用C表示，由于R與導體的橫截面積呈反比，C與電容極板的距離呈反比，因此隨著制程微縮，布線之間的距離減小，電容與電阻均變大，產生RC延遲造成信號失真，影響芯片工作速度。

降低R與C，R=ρL/S，ρ是電阻率，L是導線長度，S是橫截面積，由于增大導體橫截面積不利于制程微縮，因此降低R的辦法是選取電阻率更低的導體，比如用銅替換鋁，然而在采用銅布線之后，短時間很難選擇其他導體完全取代銅來繼續降低電阻。

C=kA/d，A是橫截面積，d是介質層厚度，降低橫截面積會導致電阻R增加，增加介質層厚度會導致間隙填充更加困難，因此降低C的辦法通常是降低k值，采用低k 材料替代SiO2。低k材料的工藝壁壘在于保證薄膜較薄同時實現足夠的機械強度、高均勻性等。

三、刻蝕停止層

銅互連工藝需采用大馬士革結構與化學機械拋光（CMP）技術，通過刻蝕低k材料獲得溝槽和通孔來完成雙大馬士革圖形化工藝。為了對RC延遲的影響縮至最小，除了前面提到金屬間介質層采用低 k 材料外，刻蝕停止層（Etch Stop Layer，ESL）材料的k 值也應盡可能的低，從而降低金屬互連的整體介電常數值。刻蝕停止層還可作為其下方金屬導線的覆蓋層（Capping Layer），也是金屬擴散的阻擋層（Barrier Layer）。

過去刻蝕停止層材料通常選擇Si3N4（k值約為7~8），其厚度必須盡可能薄。近年來也有采用SiCN（k值約為4~5）作為刻蝕停止層。SiCN（硅碳氮）是兼具寬禁帶半導體SiC和絕緣體Si3N4兩者優點的新型材料，不僅具有高熱導率、高熱穩定性、抗壓、抗輻射等特點，而且表面致密，對硅和二氧化硅都具有很好的附著性。SiCN薄膜通常使用 4MS（四甲基硅烷）作為硅源、氨氣作為氮源，通過 PECVD 工藝制備。