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。
9.2.2、Al/Si接触中的几个物理现象
(1) Si在Al中的扩散 Si在Al中的溶解度比较高，在Al与Si接触处，在退火过程中， 会有大量的Si原子溶到Al中。溶解量不仅与退火温度下的溶解度
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：
MOSFET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。
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
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：
外延生长
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。
宽度为w，厚度为d的铝引线，与硅接触的接触孔 面积为A，如图所示。
若退火时间为t，则Si在Al中的扩散距离为(Dt)1/2，假设Si在Al 中是饱和的，则消耗的硅体积V为 V 2 Dt w d S n Al nSi 式中nAl和nSi分别为铝和硅的密度，S是Si在A1中的溶解度(重量百分数)。 假如Si在接触孔面积A内是均匀消耗的，那么消耗掉的硅层厚度： n wd Z 2 Dt S Al n A Si 例如，当退火温度T＝500℃时，退火时间t＝30min，接触孔面积A＝44m2， 线条宽度w=5m，厚度d＝1m，则消耗掉的硅层厚度Z=0.3m，相当于超大 规模集成电路中的结深，因而有可能使pn结短路。 实际上，硅在接触孔内并不是均匀消耗的，而是只通过几个点消耗Si，有效 面积A′ 远小于接触孔面积A，所以Z将远大于均匀消耗的深度，Al就像尖钉一 样楔进Si衬底中，从而使pn结短路。实际的“尖楔”深度往往可以超过1μm。
中值失效时间：同样的直流电流试验条件下，50％的互连引线失效所用
的时间。失效判据为引线电阻增加100％。
中值失效时间
正比于引线截面积A＝dw ，因为它决定了造成引线断开的最小空洞尺寸； 反比于质量输运率，即质量输运率越低，中值失效时间应当越长。
3、 改进电迁移的方法
(1) 结构的影响和“竹状”结构的选择 多晶铝引线的电迁移现象随晶粒尺寸增大而减弱，MTF增大。
TiN，TaN和WN这些氮化物可以在氮气氛中通
过反应溅射淀积，也可以先淀积Ti金属，之后在 氮气氛中进行快速热退火来形成。对于深亚微米
器件来说，接触孔的面积很小，深宽比大，可用
CVD方法淀积。
9.2.5、电迁移现象及其改进方法
1、电迁移现象的物理机制
电迁移现象：随着芯片集成度的提高，互连引线变得更窄、更薄，电流 密度越来越大。在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会
有关，还与Si在Al中的扩散情况有关。
在400-500℃退火温度范围内，Si在Al薄膜中的扩散系数比在晶 体Al中大40倍。这是因为Al薄膜通常为多晶，杂质在晶界的扩散 系数远大于在晶粒内的扩散系数。
(2) Al与SiO2的反应
3SiO2 4 Al 3Si 2 Al2O3
Al与SiO2反应对于Al在集成电路中的应用十分重要：
(3) 三层夹心结构
在两层铝薄膜之间增加一个约500Å的过渡金属层。
经过退火，在两层铝之间将形成金属化合物，它们是很好的铝扩散阻挡层，可 以防止空洞穿透整个铝金属化引线；同时在铝晶粒间界也会形成化合物，降低铝 原子在铝晶粒间界中的扩散系数，从而减少了铝原子的迁移率，防止空洞和小丘 的形成。这种方法可以使MTF值提高2-3量级，但是工艺比较复杂。
(2) Al-Cu合金或Al-Si-Cu合金
在铝中附加合金成份，最常用的是Cu。 使金属化材料由纯Al变为Al-Si(1-2％) -Cu(4％)合金，这些杂质在铝的晶粒间界
分凝可以降低铝原子在铝晶粒间界的扩散系数，可以使MTF值提高一个量级。但
缺点是使引线的电阻率增加、Al-Si-Cu合金不易刻蚀、且易受Cl2腐蚀。
影响尖楔深度和形状的因素
1. Al-Si界面的氧化层厚度
如果氧化层厚度比较薄，由于Al膜可以“吃”掉薄的SiO2，使Al/Si作
用面积较大，尖楔深度比较浅。 如果氧化层厚度比较厚，Al/Si作用面只限于几个点，尖楔深度较深。
2. 衬底晶向对尖楔的形貌有影响
双极集成电路采用(111) 硅衬底，由于(111)面原子面密度大，面间距大， 尖楔倾向于横向扩展。
MOS集成电路采用 (100)硅衬底，尖楔倾向于垂直扩展，更容易使pn
结短路。
9.2.4、Al/Si接触中的改进
1、 Al-Si合金 金属化引线
为了解决Al的尖楔问题，在纯Al中加入硅至饱和，形成Al-Si合金，代替 纯Al作为接触和互连材料。一般为1wt%。 但是，在较高合金退火温度时溶解在Al中的硅，冷却过程中又从Al中析出。 硅从Al-Si合金薄膜中析出是Al-Si合金在集成电路中应用的主要限制: 析出Si逐步增大成为结瘤，大电流通过互连引线时，结瘤处发生明显升 温，甚至导致互连引线失效。
(4) 改进电迁移的另一种有效方法是采用新的互连金属材料，如Cu。
由于Al-Si合金存在Si析出的问题，Al/Si接触还可以采用铝-掺杂多晶硅 双层金属化结构。
多晶硅重组现象
在SiO2衬底上淀积未掺杂多晶硅，接着淀积铝膜， 腐蚀掉铝膜后，SiO2衬底上出现一个个分离的大晶 粒，原来连续的多晶硅薄膜不复存在。 当Al与多晶硅接触时，在退火过程中，多晶硅晶 界处硅原子自由能比较高，因而晶界处硅原子将向 晶粒上的铝膜运输，并在那儿析出淀积，形成多晶 硅重组现象。
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、机械特性、热力学特性以及化学反应特性
多层薄膜体系中通常有应力存在，如图所示， (a) 存在张应力，(b) 存在压应力。 通常总的应力σ可以分为固有应力σi ，和热 应力σth两部分，即σ = σi+ σth 。 固有应力主要由薄膜的淀积条件决定，通过优化生长过程可以减小。 热应力可由下式计算：
此外，还与铝薄膜的择优取向有关，电子束蒸发铝薄膜择优取向为<111>晶向， 它的MTF值比溅射的铝薄膜大2-3倍。 “竹状”结构的铝引线与通常Al引线结构不同， 组成多晶体的晶粒从下而上贯穿引线截面，整个
引线截面图类似有许多“竹结”的一条竹子，晶
粒间界垂直于电流方向，所以晶粒间界的扩散不 起作用，铝原子在铝薄膜中的扩散系数和在单晶 中类同，从而可使MTF值提高二个数量级。
Al与Si接触时，可以“吃”掉Si表面的自然氧化层，使
Al/Si的欧姆接触电阻降低； Al与SiO2的作用改善了集成电路中Al引线与下面SiO2的黏
附性。
9.2.3、Al/Si接触中的尖楔现象
尖楔现象：由于硅在铝中的溶解度较大，在Al/Si接触中，Si在Al膜的晶 粒间界中快速扩散离开接触孔的同时，Al也会向接触孔内运动、填充因 Si离开而留下的空间。如果Si在接触孔内不是均匀消耗，Al就会在某些 接触点，像尖钉一样楔进Si衬底中去，如果尖楔深度大于结深，就会使 pn结失效，这种现象就是Al/Si接触中的尖楔现象。
材料。
9.1、集成电路对金属化材料特性的要求
与n+，p+硅或多晶硅能够形成欧姆接触，接触电阻小； 长时期在较高电流密度负荷下，抗电迁移性能要好； 与绝缘体（如SiO2）有良好的附着性； 耐腐蚀； 易于淀积和刻蚀； 易于键合，而且键合点能经受长期工作； 多层互连要求层与层之间绝缘性好，不互相渗透和扩散。
沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就是电迁移。
电子风力：当互连引线中的电流密度较高时，静电场力Fei驱动电子由阴极