第九章_金属化与多层互连
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金属化和多层互连
TiSi2 和 CoSi2的自对准工艺：
• 溅射剥离从衬底表面去除原生氧化层 • Ti 或 Co 沉积 • 退火形成金属硅化物 • Ti 或 Co 不与SiO2反应,金属硅化物在硅和Ti 或Co接
触处形成 • 去除Ti 或 Co • 选择性再次退火以增强电导率
多晶硅/硅化物复合栅结构
TiSi 2
多晶硅栅极
从中可以看出，采用低电阻率的互连材料和 低介电常数的介质材料可以有效降低互连系统的 延迟时间。
铜及低K介质
铜及低K介质的优势：
铜的电阻率低，可以极大降低互连引线电阻；
Cu
1.7 mWcm
Al
2.65 mWcm
铜的抗电迁移能力强，没有应力迁移，可靠性强； 低K介质，减少了分布电容；
所以，采用铜及低K介质可以进一步减小引线宽度和 厚度，提高集成电路的密度。
铜及低K介质
Cu互连工艺中的关键技术： Cu的沉积技术 低K介质材料的选择和沉积 势垒层材料的选择和沉积技术 Cu的CMP平整化技术 大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺 可靠性问题
深亚微米技术的发展：
90nm、45nm线宽 300mm（12寸）晶圆
铜及低K介质
系统集成（SOC）
nn+
ＳiＯ２
nn+
退火产生金属硅化物
nn+
ＳiＯ２
nn+
湿法腐蚀Ｔi薄膜
自对准栅技术加离子注入可以大幅减小掺杂横向 效应引起的覆盖电容，提高工作频率。
多晶硅栅取代Ａl栅，由于栅与衬底Si的功函数差 减少，可以使PMOS的开启电压VT绝对值下降1.21.4V左右。
开启电压VTX降低后，器件充放电幅度降低，时间 缩短，从而也可提高工作频率。
• 溅射剥离从衬底表面去除原生氧化层 • Ti 或 Co 沉积 • 退火形成金属硅化物 • Ti 或 Co 不与SiO2反应,金属硅化物在硅和Ti 或Co接
触处形成 • 去除Ti 或 Co • 选择性再次退火以增强电导率
多晶硅/硅化物复合栅结构
TiSi 2
多晶硅栅极
从中可以看出，采用低电阻率的互连材料和 低介电常数的介质材料可以有效降低互连系统的 延迟时间。
铜及低K介质
铜及低K介质的优势：
铜的电阻率低，可以极大降低互连引线电阻；
Cu
1.7 mWcm
Al
2.65 mWcm
铜的抗电迁移能力强，没有应力迁移，可靠性强； 低K介质，减少了分布电容；
所以，采用铜及低K介质可以进一步减小引线宽度和 厚度，提高集成电路的密度。
铜及低K介质
Cu互连工艺中的关键技术： Cu的沉积技术 低K介质材料的选择和沉积 势垒层材料的选择和沉积技术 Cu的CMP平整化技术 大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺 可靠性问题
深亚微米技术的发展：
90nm、45nm线宽 300mm（12寸）晶圆
铜及低K介质
系统集成（SOC）
nn+
ＳiＯ２
nn+
退火产生金属硅化物
nn+
ＳiＯ２
nn+
湿法腐蚀Ｔi薄膜
自对准栅技术加离子注入可以大幅减小掺杂横向 效应引起的覆盖电容，提高工作频率。
多晶硅栅取代Ａl栅，由于栅与衬底Si的功函数差 减少，可以使PMOS的开启电压VT绝对值下降1.21.4V左右。
开启电压VTX降低后，器件充放电幅度降低，时间 缩短，从而也可提高工作频率。
《金属化与多层互连》课件
金属化与多层互连的应用领域
半导体制造：用于制造集成电路和芯片
医疗设备制造：用于制造医疗设备，如CT、 MRI等
电子设备制造：用于制造电子设备，如手 机、电脑等
汽车制造：用于制造汽车电子设备，如车 载导航、车载娱乐系统等
航空航天：用于制造航天器和卫星等
通信设备制造：用于制造通信设备，如基 站、路由器等
金属化与多层互连的材料性能要求
导电性：良好 的导电性能， 保证信号传输 的稳定性和速
度
热稳定性：在 机械强度：足 高温环境下保 够的机械强度， 持良好的性能， 保证电路的稳 防止电路损坏 定性和可靠性
化学稳定性： 良好的化学稳 定性，防止电 路受到腐蚀和
氧化
成本：合理的 成本，保证产 品的市场竞争
金属化与多层互连的解决方案
采用先进的金属化工艺，如电镀、溅射等，提高金属化层的质量 优化多层互连的设计，如减小层间距、增加层数等，提高互连的密度和可靠性 采用先进的封装技术，如晶圆级封装、系统级封装等，提高封装的集成度和可靠性 采用先进的测试技术，如X射线、光学显微镜等，提高测试的准确性和效率
金属化与多层互连的发展历程
1960年代：金属化技术开始应用于集成 电路制造
1990年代：金属化技术进一步发展，多 层互连技术成为集成电路制造的主流技术
1970年代：多层互连技术开始出现，提 高了集成电路的密度和性能
2000年代：金属化技术不断创新，多层 互连技术逐渐向高密度、高性能方向发展
1980年代：金属化技术逐渐成熟，多层 互连技术得到广泛应用
沉积：在硅片上沉积金属或 绝缘材料
电镀：在硅片上沉积金属层
热处理：提高金属层的导电 性和稳定性
金属化与多层互连的工艺流程细节
金属化和多层互连
当金属与半导体之间的载流子输运以隧道 穿透为主时，Rc与半导体的掺杂浓度N及 金－半接触的势垒高度qVb 有下面的关系
qVb Rc exp N
qVb在数值上等于金属费米能级上的电子 进入半导体所需的能量。 结论：要获得低接触电阻的金－半接触， 必须减小金－半接触的势垒高度及提高半 导体的掺杂浓度
CoSi2
Ta 或 TaN Cu
W
W
PSG STI n+
+ + n+ p p USG P型井區 N型井區 P型磊晶層 P型晶圓
铜及低K介质
低K介质材料的沉积与刻蚀： 沉积工艺： （1）旋涂工艺：工艺简单，缺陷密度较低，产率高，易于 平整化，不使用危险气体 （2）CVD工艺：与IC工艺兼容性好 刻蚀要求： （1）工艺兼容性好 （2）对刻蚀停止层材料选择性高 （3）能形成垂直图形 （4）对Cu无刻蚀和腐蚀 （5）刻蚀的残留物易于清除
鋁
p+ N型矽
SiO2
鋁
p+
鋁
Al/Si接触的改善
合 金 化 ： 采 用 含 少 量 Si 的 Al-Si 合 金 （ 一 般 为 1% ） , 由于合金中已存在足量的 Si ，可以抑制底 层Si的扩散，防止“尖锲”现象。 在 300oC 以上，硅就以一定比例熔于铝中， 在此温度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成 一层很薄的 Al-Si 合金。 Al 通过 Al-Si 合金和接触 孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触
铜及低K介质
势垒层材料: 包括介质势垒层和导电势垒层 介质势垒层材料：ＳiＮ、ＳiＣ等新材料 主要功能:和介质层形成多层结构，防止介质 在工艺过程或环境中吸潮而影响性能。 导电势垒层：ＷＮ、ＴiＮ、Ｔa、ＴaＮ等 主要功能：防止Ｃu扩散、改善Ｃu的附着性、 作为ＣＭＰ和刻蚀停止层、作为保护层。
硅集成电路工艺基础9
第九章金属化与多层互连金属及金属性材料在集成电路技术中的应用被称为金属化。
按其在集成电路中的功能划分，金属材料可分为三大类：¾MOSFET栅电极材料：早期nMOS集成电路工艺中使用较多的是铝栅，目前CMOS集成电路工艺技术中最常用的是多晶硅栅。
¾互连材料：将芯片内的各独立元器件连接成具有一定功能的电路模块。
铝是广泛使用的互连金属材料，目前在ULSI中，铜互连金属材料得到了越来越广泛的运用。
¾接触材料：直接与半导体接触，并提供与外部相连的连接点。
铝是一种常用的接触材料，但目前应用较广泛的接触材料是硅化)等。
物，如铂硅(PtSi)和钴硅(CoSi2集成电路中使用的金属材料，除了常用的金属如Al，Cu，Pt，W 等以外，还包括重掺杂多晶硅、金属硅化物、金属合金等金属性材料。
9.1、集成电路对金属化材料特性的要求¾与n+，p+硅或多晶硅能够形成欧姆接触，接触电阻小；¾长时期在较高电流密度负荷下，抗电迁移性能要好；¾与绝缘体（如SiO）有良好的附着性；2¾耐腐蚀；¾易于淀积和刻蚀；¾易于键合，而且键合点能经受长期工作；¾多层互连要求层与层之间绝缘性好，不互相渗透和扩散。
9.1.1、晶格结构和外延生长特性的要求金属材料特性与其晶格结构有关，集成电路中金属薄膜：¾外延生长¾单晶膜具有最理想的特性。
采用外延生长可以消除缺陷，晶体结构好，提高金属薄膜的性能，降低电阻率和电迁移率，得到良好的金属/半导体接触或金属/绝缘体接触界面。
9.1.2、电学特性金属材料在集成电路中应用时，须考虑的电学性能主要包括电阻率、电阻率的温度系数(TCR)、功函数、与半导体接触的肖特基势垒高度。
对于接触材料和栅电极材料，其功函数、与半导体材料的肖特基势垒高度和接触电阻是非常重要的参数。
9.1.3，通过优化生长过程可以减小。
第九章金属化与多层连接1
9.2.4 Al/Si接触的改进
1 Al－Si合金金属化引线
采用铝硅合金代替纯铝作为接触和互连材料， 防止尖楔现象。
问题：出现分凝现象。即，在较高合金退火温 度时熔解在铝中的硅，在冷却过程中又从铝中析出。 该现象产生一个个硅单晶的结瘤。影响器件的 可靠性，有可能导致互连线短路。
2 铝－掺杂多晶硅双层金属化结构
金属势垒层材料(阻挡层金属)选择要求：保形的通 孔和沟槽淀积性能；好的势垒性能；低的通孔电阻；与 铜有好的黏附性；与铜的CMP工艺兼容。如：WN、TiN
9.3.5 金属Cu的淀积技术
采用大马士革（镶嵌）工艺进行Cu布线。 过程与上述相似。
9.3.6 低K介质和Cu互连集成技术中的可靠性问题
可靠性问题涉及：电迁移、应力迁移、热循 环稳定性、介电应力、热导率。
2 中值失效时间
表征电迁移现象的物理量是互连引线的中值失效 时间MTF(media time to failure),即50％互连引线 失效时间，其值正比于引线截面积，反比于质量输 运率
3 改进电迁移的方法
1） 结构的影响和“竹状”结构的选择
MTF随着铝线宽度的减小和长度的增加而降
低。
“竹状”铝引线 结构，组成多晶 体的晶粒从下而 上贯穿引线截面， 晶粒间界垂直于 电流的方向，所 以晶粒间界的扩 散不起作用。
第九章 金属化与多层互连
9.1 引言
金属化：金属及金属材料在集成电路技术中的应用。
根据金属在集成电路中的功能划分，可以分为三类：
互连材料——将同一芯片的各个独立的元器件连接成蚀，好的抗电迁移 特性。
互连连线是金属化工艺的主要组成部分；
大部分使用铜铝合金；
R ( l ) /(wtm )
Chap.9 金属化与多层互连
热退火提高电导率
CMP去除沟槽或通孔之外的铜
天津工业大学
双大马士革（ Dual Damascene ）工艺流程
天津工业大学
电镀铜（Electrochemical Plating，ECP）
电镀过程中铜离子对已淀积铜表面的轰击，形成一种淀 积/刻蚀/淀积的过程，提高其台阶覆盖和沟槽填充能力
天津工业大学
Chap.9 金属化与多层互连
1 2 3 4 5
IC中金属的作用及分类
铝在集成电路技术中的应用
铜及其他金属在IC中的应用 多晶硅及硅化物在IC中的应用
大规模集成电路与多层互连工艺
天津工业大学
IC中金属的分类
金属化：金属及金属性材料在集成电路技术中的应用 MOSFET栅电极材料 （重掺杂多晶硅） IC 中 的 金 属 互连材料
天津工业大学
互连引线的延迟时间： RC常数： R=(ρl)/(ωtm)
Cu作为互连材料的工艺流 程： ——Dual Damascene 双大马士革工艺
C=(εωl)/tox
RC=(ρεl2)/(tm tox)
天津工业大学
双大马士革（ Dual Damascene ）工艺流程
预清洗 Biblioteka 蚀沟槽或通孔 PVD淀积阻挡层（Ta或者TaN） PVD或者CVD淀积铜籽晶层 电化学镀制备铜体相层，填满通孔或沟槽
（常用金属及金属合金）
接触材料 （金属硅化物）
天津工业大学
IC中的金属
天津工业大学
IC中的金属
天津工业大学
§9.1 集成电路对金属化材料的要求
与n+，p+硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触，能提供低 阻互连引线，以提高电路速度 长时期在较高电流密度负荷下，抗电迁移能力要好 与绝缘体有良好的附着性 耐腐蚀
(s)第九章 金属化与多层互连
9.2.3 Al/Si接触中的尖楔现象
图9.3 Al-Si接触引线工艺 T=500℃，t=30min.， A=4.4μm2，W=5μm， d=1μm，则 消耗Si层厚度Z=0.3μm。 ∵Si非均匀消耗， ∴实际上，A*<<A，即 Z*>>Z，故 Al形成尖楔
尖楔现象
机理： Si在Al中的溶解度及 快速扩散。 特点： <111>衬底：横向扩展 <100> 衬底：纵向扩展 MOS器件突出。
9.3 Cu及低K介质
问题的引出： 互连线延迟随器件尺寸的缩小 而增加；亚微米尺寸，互连延迟 大于栅（门）延迟。 l 2 RC 如何降低RC常数——表征互连线延迟，即 tmtox ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数 tm-引线厚度，tox-互连线下介质层厚度。 ①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm； （Al，ρ=2.82μΩcm） ②低K （ε）的介质材料： ε<3.5
9.4.3 多晶硅互连及其局限性
l 2 ox 互连延迟时间常数RC：RC Rs tox
Rs、 l- -互连线方块电阻和长度， εox、tox-多晶硅互连线下面介质层的介电常数和厚度； 局限性：电阻率过高；
9.5 VLSI与多层互连
多层互连的提出： 互连线面积占主要； 时延常数RC占主要。 9.5.1 多层互连对VLSI的意义 1.使集成密度大大增加，集成度提高； 2.使单位芯片面积上可用的互连线面积大大增加； 3.降低互连延迟： ①有效降低了互连线长度； ②使所有互连线接近于平均长度； ③降低连线总电容随连线间隔缩小而增加的效应； ④减少了连线间的干扰，提高了频率； ⑤加快了整个系统工作速度。 4. 降低成本 （目前Cu互连可高达10层）
chap9-10解析
14
• （1）了解电迁移现象的物理机制
• （2）中值失效时间概念
• （3）改进电迁移的方法
•
结构的影响和“竹状”结构的选择；
•
AL-Cu合金(在Al中加入0.5～4％的Cu可
以降低铝原子在晶间的扩散系数。但同时电阻
率会增加！)和AL-Si-Cu合金；
•
三层夹心结构。
15
9.3 铜及低K介质
• 降低互连线延迟时间重要方法之一：使用
➢可以通过掺杂改变MS。如n-poly可以使VT下降1.1 V，
既工业界常用的双多晶栅dual-poly（n & p）工艺。 ➢多晶栅自对准技术，可以进一步提高集成度。
22
多晶硅栅自对准技术
23
LDD(Lightly Doped Drain)＋spacer 多晶硅自对准技术
LDD工艺是CMOS集成电路进入亚微米后应用最广泛的技术， LDD结构是 用来降低MOS管源端和漏端在沟道的电场分布，以克服热载流子效应所造成的 I-V特性因长时间作用而漂移的问题。但是LDD结构在导电沟道两段的深度只有 20nm，这等于在源极和漏极 的两端形成了两个尖端，尖端放电现象即静电放电 (ESD) 便容易发生在LDD结构上，从而造成这种结构的抗静电能力较低。
接成为具有一定功能的电路模块。 • 接触材料：直接与半导体材料接触的材料，以及
提供与外部相连的连接点。 • 金属材料：除了常见AL、CU、Pt、W等以外，
还包括重掺杂多晶硅、金属硅化金属合金等金属 性材料。
3
9.1 集成电路对金属化材料特性的要求
对IC金属化系统的主要要求
电学、机械、热学、热力学及化学
26
金属硅化物作为接触材料
特点：类金属，低电阻率（<0.01多晶硅），高温
第九章 金属化与多层互连
原子受到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的定向扩散，即发生了金 属原子的电迁移。在相反方向将有质量耗尽，产生空位的聚合。
电迁移现象的结果：在一个方向形成空洞，使互连引线 断裂开路，而在另一个方向则由于铝原子的堆积而形成 小丘，造成光刻的困难和多层布线之间短路，从而使整 个集成电路失效。 金属原子在薄膜中的输运过程是扩散过程，主要是沿晶界进行的。
th
Ef 1Vf
F S T2 T1
Ef杨氏模量，Vf泊松系数，αF 与αS为薄膜和衬底的热膨胀系数， T1为工作 时温度，T2为生长(或退火)温度。 可见减小热应力，最重要的是选择热膨胀系数相近的材料。
应力的存在对互连体系可靠性产生严重影响，应力可导致互连线出现空
及化学反应特性在互连材料的选取以及结构设计时都是必须考虑的问题。
9.2、铝在集成电路技术中的应用
铝是一种经常被采用的金属互连材料，主要优点是:
在室温下的电阻率仅为2.7μΩ·cm； 与n+、p+硅或多晶硅的欧姆接触电阻可低至10-6Ω/cm2；
与硅和磷硅玻璃的附着性很好；
经过短时间热处理后，与SiO2、Si3N4等绝缘层的黏附性很好； 易于淀积和刻蚀。
铝-掺杂多晶硅双层金属化结构
对于Al和重磷或重砷掺杂的多晶硅接触，这种重组现象不存在。
可能是因为杂质磷(砷)在多晶硅晶粒间界分凝，使晶粒间界硅原子 的自由能减小，降低了这些硅原子在铝中的溶解度。 因此可以在淀积铝薄膜之前，先淀积一层重磷或重砷掺杂的多晶 硅薄膜，构成Al-重磷(砷)掺杂多晶硅双层金属化结构。
9.2.1、金属铝膜的制备方法
铝应用于集成电路中的互连引线，主要是采用溅射方法制备，淀积速 率快、厚度均匀、台阶覆盖能力强。
电迁移现象的结果：在一个方向形成空洞，使互连引线 断裂开路，而在另一个方向则由于铝原子的堆积而形成 小丘，造成光刻的困难和多层布线之间短路，从而使整 个集成电路失效。 金属原子在薄膜中的输运过程是扩散过程，主要是沿晶界进行的。
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Ef 1Vf
F S T2 T1
Ef杨氏模量，Vf泊松系数，αF 与αS为薄膜和衬底的热膨胀系数， T1为工作 时温度，T2为生长(或退火)温度。 可见减小热应力，最重要的是选择热膨胀系数相近的材料。
应力的存在对互连体系可靠性产生严重影响，应力可导致互连线出现空
及化学反应特性在互连材料的选取以及结构设计时都是必须考虑的问题。
9.2、铝在集成电路技术中的应用
铝是一种经常被采用的金属互连材料，主要优点是:
在室温下的电阻率仅为2.7μΩ·cm； 与n+、p+硅或多晶硅的欧姆接触电阻可低至10-6Ω/cm2；
与硅和磷硅玻璃的附着性很好；
经过短时间热处理后，与SiO2、Si3N4等绝缘层的黏附性很好； 易于淀积和刻蚀。
铝-掺杂多晶硅双层金属化结构
对于Al和重磷或重砷掺杂的多晶硅接触，这种重组现象不存在。
可能是因为杂质磷(砷)在多晶硅晶粒间界分凝，使晶粒间界硅原子 的自由能减小，降低了这些硅原子在铝中的溶解度。 因此可以在淀积铝薄膜之前，先淀积一层重磷或重砷掺杂的多晶 硅薄膜，构成Al-重磷(砷)掺杂多晶硅双层金属化结构。
9.2.1、金属铝膜的制备方法
铝应用于集成电路中的互连引线，主要是采用溅射方法制备，淀积速 率快、厚度均匀、台阶覆盖能力强。
金属化与多层互连解析
集成电路对金属化材料特性的要求
１．能与硅基形成低阻的欧姆接触． ２．长时期在较高电流密度负荷下，金属材料的抗电迁移
性能要好． ３．与绝缘体有良好的附着性． ４．耐腐蚀 ５．易于淀积和刻蚀 ６．易于键合，而且键合点能长期工作 ７．多层互连要求层与层间绝缘性好，层间不发生互相渗
透和扩散．
（2）溅射：溅射需要在真空系统中充入一定的惰性气体Ar， 这样在高压电场的作用下，由于气体放电形成离子，这些离 子在强电场作用下被加速，然后轰击靶材料，使其原子逸出 并被溅射到晶片上，形成金属膜。 采用这种方法可以淀积各种合金和难熔技术薄层，利用磁控 溅射所需要的电压比电子束蒸发要小一个数量级，产生的辐 射较小，磁控溅射是目前集成电路工艺中广泛采用的形成技
电阻） 机械特性 总的应力体现为两种情形：张应力和压应力 总应力造成的因素： 固有应力（由淀积生长条件决定，如晶格失配，结构，缺
陷，表面效应．．．） 热应力（衬底和薄膜热膨胀系数不同，生长温度与使用温
度不同）
金属材料的常规特性
危害：对互连体系可靠性产生严重影响，导致互连线出现 空洞，互连材料的电迁移
晶格结构和外延生长特性的影响
外延生长的单晶膜具有理想的特性． 影响单晶膜生长的因素： ✓ 薄膜和衬底材料晶格结构匹配程度 ✓ 界面附着稳定程度 ✓ 薄膜晶化生长稳定性 ✓ 淀积条件 ✓ 材料纯净度 ✓ 后续工艺处理的影响
晶格常数失配因子
薄膜和衬底材料晶格结构匹配程度
量化表征:晶格常数失配因子( )
Al与SiO2的反应
4Al+ 3SiO2
3Si+2Al2O3
吃掉Si表面的SiO2 ，降低接触电阻
改善与SiO2 的黏附性
尖楔现象
原因： 当铝硅形成接触孔时，由于硅在铝中有可观溶解度，在接触
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9.1 集成电路对金属化的基本要求
1. 形成低阻欧姆接触； 2. 提供低阻互连线； 3. 抗电迁移； 4. 良好的附着性； 5. 耐腐蚀； 6. 易于淀积和刻蚀； 7. 易键合； 8. 层与层之间绝缘要好。
9.2 金属化材料及应用
常用金属材料：
➢ Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等
常用的金属性材料：
PVD Al合金 (2.9 -3.3 mW-cm) • W只用作局部互连和金属塞
9.2 金属化材料及应用
接触工艺的演变
W原料：WF6
W钨 CVD
先与SiH4反应形成W淀积的核层:
2WF6(g) +3SiH4→2W(s)+3SiF4(g)+6H2
再与H2反应淀积W: WF6(g) +3H2→W(s)+6HF(g)
改善Al与SiO2的粘附性。
9.3 Al的性质及现象
9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象
图9.3 Al-Si接触引线工艺 T=500℃，t=30min.， A=16μm2，W=5μm， d=1μm，消耗Si层厚度
Z=0.35μm。 （相当于VLSI的结深） ∵Si非均匀消耗， ∴实际上，A*<<A，即Z*>>Z，故
Al形成尖楔
9.3 Al的性质及现象
9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象
尖楔机理：Si在Al中的溶解度及快速 扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬底；
深度：超过1μm； 特点：<111>衬底：横向扩展
<100> 衬底：纵向扩展 MOS器件突出。 改善：Al中加1wt％-4wt％的过量Si
9.3 Al的性 金属化与多层互连
2013年9月
第九章 金属化与多层互连
金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。 金属化材料分类：（按功能划分） ①MOSFET栅电极材料－MOSFET器件的组成部分； ②互连材料－将各个独立的元件连接成为具有一
定功能的电路模块。 ③接触材料－直接与半导体材料接触的材料，
以及提供与外部相连的接触点。
互连材料－Interconnection
➢互连在金属化工艺中占有主要地位 ➢Al-Cu合金最为常用 ➢W塞（80s和90s） ➢Ti：焊接层 ➢TiN：阻挡、黏附层 ➢未来互连金属－－Cu
CMOS标准金属化
互连：Al-Cu合金 接触孔与通孔：金属W（Ti/TiN/W） Ti/TiN：焊接层、阻挡层、防反射层 电极材料：金属硅化物，如TiSi2
2、硅化物
－电阻率比多晶硅更低， －常用TiSi2, WSi2和 CoSi2
9.2 金属化材料及应用
2、硅化物
自对准形成硅化钛
9.2 金属化材料及应用
3、铝（Al）
▪ 最常用的金属 ▪ 导电性第四好的金属
– 铝 2.65 μΩ-cm – 金 2.2 μΩ-cm – 银 1.6 μΩ-cm – 铜 1.7 μΩ-cm ▪ 1970s中期以前用作栅电极金属
9.2.4 电迁移现象及改进
电迁移：大电流密度下，导电电子与铝金属离子发生动量交 换，使金属离子沿电子流方向迁移。
现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路； 在 阴极端形成空洞，导致电极开路。
改进电迁移的方法 a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。 b.Al-Cu/Al-Si-Cu合金：Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界
溶解到Al中。
9.3 Al的性质及现象
9.2.2 Al/Si接触的物理现象
①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低； Si在Al中的溶解度相对较高：
②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中 大40倍。
③Al与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3 好处：降低Al/Si欧姆接触电阻；
9.2 金属化材料及应用
4、钛Ti：硅化钛、氮化钛
Ti/TiN的作用：
1）阻挡层：防止W扩散 2）粘合层：帮助W与SiO2 表面粘合在一起 3）防反射涂层ARC （Anti-reflection coating），防止反射提 高光刻分辨率
9.2 金属化材料及应用
5、钨W
• 接触孔和通孔中的金属塞 • 接触孔变得越来越小和越窄 • PVD Al合金: 台阶覆盖性差，产生空洞 • CVD W: 出色的台阶覆盖性和空隙填充能力 • CVD W：更高电阻率: 8.0-12 mW-cm
• Poor adhesion with silicon dioxide • Highly diffusive, heavy metal contamination • Very hard to dry etch
– copper-halogen have very low volatility
9.3 Al的性质及现象
需要TiN/Ti层与氧化物黏附
W Plug and TiN/Ti Barrier/Adhesion Layer
9.2 金属化材料及应用
6、铜
• Low resistivity (1.7 mW×cm), – lower power consumption and higher IC speed
• High electromigration resistance – better reliability
的扩散系数。 c.三层夹心结构：两层Al之间加一层约500Å 的金属过渡层，
如Ti、Hf、Cr、Ta。 d.新的互连线：Cu
9.2.1 Al的性质
电阻率：Al为2.7μΩ/cm，
（Au2.2 μΩ/cm，Ag1.6 μΩ/cm， Cu 1.7μΩ/cm）
Al合金为3.5 μΩ/cm； 溶解度：Al在Si中很低，
Si在Al中相对较高，如 400℃时，0.25wt%； 450℃时，0.5wt%； 500℃时，0.8wt%； Al-Si合金退火：相当可观的Si
➢ 1）掺杂的poly-Si； ➢ 2）金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2、TiSi2； ➢ 3）金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、TiB2 、 SiGe 、
ZrB2 、TiC、MoC、TiN。
9.2 金属化材料及应用
1、多晶硅
－栅和局部互连， －70s中期后代替Al作为栅极， －高温稳定性：满足注入后退火的要求，Al不能自对准 －重掺杂，LPCVD淀积