金属化与多层互连共30页文档

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。

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

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。

▪ 薄氧(尖楔较浅） ▪ 厚氧(尖楔较深）
❖ 衬底晶向
▪ 〈111〉：横向扩展 、双极集成电路 ▪ 〈100〉：垂直扩展 、pn结短路 、MOS集成电路
（尖楔现象严重）
Al/Si接触的改进
❖Al/Si接触的改进方法： ▪ 铝-硅合金金属化引线 ▪ 铝-掺杂多晶硅双层金属化结构 ▪ 铝-阻挡层结构
铝-硅合金金属化引线-第1种解决方案
铝硅互溶
❖Si在Al中的扩散系数
▪ 在一定的退火温度下，退火时间为ta时，Si原 子的扩散距离为
LSi Dta
其中D为扩散系数
Al与SiO2的反应
❖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Al引线与下面SiO2 的黏附性
改进电迁移的方法-第2种方法
❖ 铝-铜合金和铝-硅-铜合金 ▪ Al- Si（ 1%~2%）-Cu（4%） • 杂质在铝晶粒晶界分凝，可以降低铝原子在 铝晶界的扩散系数，从而使MTF提高一个数 量级。 ▪ 缺点:
• 增大了电阻率 • 不易刻蚀、易受Cl2腐蚀
改进电迁移的方法-第3种方法
❖ 三层夹心结构 ▪ 可以在两次铝之间增加大约500A厚的过渡金属 层。这三层金属通过400℃退火1小时后，在两 层铝之间形成金属间化合物，可以防止空洞穿 越整个金属引线，也可以降低铝在晶粒间界的 扩散系数，使MTF提高2~3个数量级。
❖ 铝硅互溶 ❖ Al与SiO2的反应
铝硅互溶
❖铝硅相图
▪ 相图表示两种组分与温度的关系
• Al-Si系具有低共熔特性 • Al-Si系的共熔温度为577℃，相应的组分配比为Si占
11.3%，Al占88.7% • 淀积Al时Si衬底的温度不得高于577 ℃

预清洗 刻蚀沟槽或通孔 PVD淀积阻挡层（Ta或者 淀积阻挡层（ 或者 或者TaN） 淀积阻挡层 ） PVD或者 或者CVD淀积铜籽晶层 或者 淀积铜籽晶层 电化学镀制备铜体相层， 电化学镀制备铜体相层，填满通孔或沟槽 热退火提高电导率 CMP去除沟槽或通孔之外的铜 去除沟槽或通孔之外的铜
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多层互连工艺流程
多层互连的基本结构 多层互连的基本结构: 基本结构 金属层 PMD IMD 接触孔(contacts) 接触孔 通孔(Via) 通备
介质淀积
平坦化 否 是否最后一层
接触及通孔形成
是 生长钝化层
金属化
结束
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多层互连工艺流程
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电迁移现象及其改进方法
电迁移现象的物理机制： 电迁移现象的物理机制： 物理机制 大电流密度通过导体时， 大电流密度通过导体时，导体原子将收到导电电子的 碰撞，从而导致导体原子沿电子流的方向迁移。 碰撞，从而导致导体原子沿电子流的方向迁移。结果在 一个方向上形成空洞， 一个方向上形成空洞，而在另一个方向则由于铝原子的 堆积而形成小丘，从而会造成断路和短路失效现象。 堆积而形成小丘，从而会造成断路和短路失效现象。
铝作为互连金属材料的缺点： 作为互连金属材料的缺点： 缺点
Al/Si接触的尖楔现象 接触的尖楔现象 在较大的电流密度下的电迁移 现象
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Al/Si接触中的几个物理现象
Al-Si相图： 相图： 相图 Al在 Si中的溶解度非常低，而Si在Al中的溶解度却比较 在 中的溶解度非常低 中的溶解度非常低， 在 中的溶解度却比较 高，因而硅会向铝中迁移 Si在Al中的扩散系数： 在 中的扩散系数 中的扩散系数： Si在Al膜内的扩散系数远大于在晶体铝内的扩散系数， 在 膜内的扩散系数远大于在晶体铝内的扩散系数 膜内的扩散系数远大于在晶体铝内的扩散系数， 扩散距离远， 扩散距离远，单位面积消耗大 Al与SiO2的反应： 与 的反应： 3SiO2+4Al 3Si+2Al2O3 消耗掉表面氧化膜，增加黏附性 消耗掉表面氧化膜，

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）

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• （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。
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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。
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多晶硅栅自对准技术
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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
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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

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。

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

改进电迁移的方法
• 结构的影响和“竹状”结构的选择 晶粒大小对MTF有影响，多晶铝的优选晶向也会影响MTF值。 电子束蒸发的铝薄膜（晶粒的优选晶向为〈111〉晶向），其 MTF值比溅射的铝薄膜大2～3倍（溅射的铝薄膜更加无序）。 MTF随铝线宽度的减小和长度的增加而降低。具有“竹状”结 构的铝引线（P277图9.7），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方向，晶粒间界的扩散不起作 用，可以使MTF提高二个数量级。 MTF • Al－Cu合金和Al－Si－Cu合金 在Al中加入Cu、Ni、Cr、Mg等，这些杂质在铝晶界分凝降低 了Al原子在Al晶界的扩散系数，提高MTF一个数量级，但电阻 率增加。 • 三层夹心结构 在二层Al薄膜之间增加一个约500A的过渡金属层（Ti、Hf、 Cr、Ta等），400℃退火1小时后在二层铝引线间形成金属化 合物，是很好的铝扩散阻挡层，减小旅原子的迁移率，防止空 洞和小丘的形成。可以提高MTF2~3个数量级。
互连引线的延迟时间
• 随着器件尺寸的减小，降低互连线延迟时间十分 重要。表征互连引线延迟时间的物理量是RC常数， R为引线的电阻、C为互连系统的电容 • R与互连材料电阻率ρ、连线长度L和截面积wtm有 关（w为引线宽度，tm为引线的厚度）。R= （ρL） / （ wtm） • 互连系统的电容与互连引线几何尺寸及互连引线 下面介质层的介电常数ε和厚度tax有关。C=(εwL)/ tax • RC= (ρεL2)/(tm tax) • 从上式可以看出，采用低电阻率的互连材料及低 介电常数的介质材料可以有效地降低互连系统的 延迟时间。
电学特性
电学特性：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（不同材料的电学特性参见P342附录6） 对接触金属材料和栅电极材料，其功函数、 与半导体接触的肖特基势垒高度、接触电 阻是非常重要的参数。