文章來源：半導體與物理

原文作者：jjfly686

本文介紹了TiN在芯片制造中的重要作用。

氮化鈦（TiN）是一種具有金屬光澤的陶瓷材料，其晶體結構為立方晶系，化學穩定性高、硬度大（莫氏硬度9-10）、熔點高達2950℃。在半導體領域，TiN展現出優異的導電性（電阻率約25 μΩ·cm）、抗腐蝕性和熱穩定性，使其成為芯片制造中的關鍵材料。此外，TiN在紫外至深紫外波段（UV-DUV）具有高吸收系數（約10^5 cm?1），遠高于SiO?或Al?O?等材料，這一特性使其在光刻工藝中發揮重要作用。

TiN的制造工藝與化學原料

1. 化學氣相沉積（CVD）

利用前驅體氣體（如四（二甲氨基）鈦，TDMAT）在高溫下分解，與NH?或N?反應生成TiN。

2. 原子層沉積（ALD）

原理：通過交替通入鈦源（如TiCl?）和氮源（如NH?），逐層生長薄膜。

特點：精度高（可控制單原子層厚度），適合復雜三維結構，但沉積速率較慢。

TiN在芯片制造中的核心作用

1. 金屬柵極的功函數調控

在先進制程中，TiN被用作高k金屬柵極（High-k Metal Gate）的關鍵材料。其功函數約為4.7-5.1 eV，適合作為PMOS的柵極材料。通過摻雜鋁（Al）或共濺射Al/Ti靶材，可調節TiN的功函數至硅導帶附近（約4.1 eV），從而兼容NMOS需求。例如，鋁的引入會改變TiN與柵介質界面的電子特性，使功函數向硅導帶偏移，優化晶體管的閾值電壓。

2. 阻擋層：防止金屬擴散

TiN的致密結構可有效阻擋銅（Cu）或鎢（W）等金屬向硅襯底擴散。例如，在銅互連工藝中，TiN作為阻擋層沉積在SiO?表面，避免銅原子滲透導致器件失效。實驗表明，10 nm厚的TiN層即可將銅擴散速率降低至可忽略水平。

3. 光刻抗反射層（ARC）

在光刻工藝中，TiN的高吸收系數可減少基底反射光引起的駐波效應，提升圖案精度。例如，在DUV光刻中，TiN抗反射層可將反射率從30%降至5%以下，確保曝光圖形的邊緣清晰。

4. 黏附層與蝕刻阻擋層

TiN可增強不同材料間的黏附力，如銅與SiO?的結合。此外，在鎢柵極蝕刻工藝中，TiN作為蝕刻阻擋層，防止蝕刻劑（如SF?/Cl?）穿透至下方的柵極氧化物，保護器件結構完整性。

TiN在金屬柵極疊層中的應用

以28 nm以下制程的FinFET為例，TiN的應用流程如下：

虛擬柵極去除：通過化學機械拋光（CMP）暴露多晶硅虛擬柵極，并刻蝕形成溝槽。

高k介質沉積：在溝槽內沉積HfO?等高k介質層。

TiN沉積：采用ALD或PVD工藝沉積TiN作為功函數層。

鎢填充：在TiN上沉積鎢作為導電層，TiN在此過程中同步發揮阻擋層作用，防止鎢擴散。