钨塞（W-plug）是怎么做的？

本文介绍了钨塞（W-plug）的制造流程。

钨塞制造的标准流程是：

刻蚀接触孔/通孔 → 沉积阻挡/粘附层（Ti/TiN）→ 沉积钨成核层 → CVD 主体填钨 → CMP 平坦化

第一步：刻蚀接触孔 / 通孔（Contact / Via Etch）

在介质层（通常是二氧化硅或低介电材料）上，通过光刻定义位置，再用等离子体刻蚀打出又深又细的孔，露出下面要连接的部位——如果是接触孔，露出的是晶体管上的硅化物（如 CoSi₂/NiSi）；如果是通孔，露出的是下层金属。

关键点：

孔又深又细，深宽比（aspect ratio）很高，先进节点可达好几比一甚至更高，这给后面的填充带来巨大挑战。

刻蚀要保证孔壁陡直、孔底干净（露出干净的硅化物或金属），孔底有残留会导致接触电阻高。

刻蚀后要做孔底清洗，去除刻蚀残留物和自然氧化层，保证接触良好。

第二步：沉积阻挡层 / 粘附层（Barrier / Adhesion Layer，Ti/TiN）

在填钨之前，必须先在孔壁和孔底铺一层 Ti/TiN（钛 + 氮化钛），通常是先 Ti 后 TiN 两层。

为什么必须要这层——两个核心作用：

1. 粘附层（adhesion）作用

2. 阻挡层（barrier）作用

各层的具体作用：

Ti（钛）：主要作用是降低接触电阻——钛能和孔底的硅化物/硅反应，形成良好的低阻接触界面；也起部分粘附作用。

TiN（氮化钛）：主要作用是阻挡层 + 粘附层——挡住 WF₆ 腐蚀和扩散，同时让钨附着。

沉积方法：Ti 通常用 PVD（溅射）或 CVD，TiN 用 CVD 或 ALD（先进节点为了薄而共形，越来越多用 ALD）。这层要薄而均匀共形，覆盖整个孔壁和孔底。

第三步：沉积钨成核层（Tungsten Nucleation Layer）

钨无法在 TiN 表面直接通过氢气还原实现高质量的快速生长，必须先铺设一层薄薄的“种子层”，即钨成核层。

化学机制：通过 CVD 通入 WF6，并使用硅烷（SiH4）或乙硼烷（B2H6）作为还原剂。由于硅烷/乙硼烷的还原性远强于氢气，能够在极短时间内在 TiN 表面迅速剥离 WF6 中的氟，强制生成一层极薄（约数纳米）且高度共形（Conformal）的无定形或微晶相的钨薄膜。

反应方程式：

第四步：CVD 主体填钨（Bulk Tungsten CVD Fill）

这是钨塞的核心步骤——把钨填满整个孔。

用 CVD，通入 WF₆（六氟化钨）+ H₂（氢气），发生还原反应：

WF₆ + 3H₂ → W + 6HF

钨原子沉积下来，从孔壁和成核层往里生长，逐渐把整个孔填满。

该反应具有极佳的阶梯覆盖率（Step Coverage，通常 $>95\\%$）。钨从孔的底部和侧壁同时均匀向中心生长，直至将深孔完全无缝封死。在此过程中，钨金属不可避免地会溢出深孔，在整个晶圆表面形成一层厚厚的钨覆盖层（W Overburden）。

第五步：CMP 平坦化（Chemical Mechanical Polishing）

用 CMP（化学机械抛光），把孔外多余的钨和阻挡层磨掉、磨平，只留下孔里的钨，形成一个个独立的、和介质表面齐平的钨塞。

第六步：做上层金属互连

CMP 后表面平坦，接着在上面做上一层金属布线（铝或铜），这层金属通过钨塞和下面导通。

至此一个层间连接完成，然后重复这些步骤做更多层。