第九章金屬化與多層互連

1、集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)第九章第九章 金屬化與多層互連金屬化與多層互連西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院微電子學(xué)院戴顯英戴顯英2012013 3年年9 9月月第九章第九章 金屬化與多層互連金屬化與多層互連金屬化：金屬及金屬性材料在金屬化：金屬及金屬性材料在ICIC中的應(yīng)用。中的應(yīng)用。金屬化材料金屬化材料分類：（按功能劃分）分類：（按功能劃分）MOSFETMOSFET柵電極材料柵電極材料MOSFETMOSFET器件的組成部分；器件的組成部分；互連材料將各個(gè)獨(dú)立的元件連接成為具有一互連材料將各個(gè)獨(dú)立的元件連接成為具有一 定功能的電路模塊。定功能的電路模塊。接觸材料直接與半導(dǎo)體材料接

2、觸的材料，接觸材料直接與半導(dǎo)體材料接觸的材料， 以及提供與外部相連的接觸點(diǎn)。以及提供與外部相連的接觸點(diǎn)?；ミB材料互連材料InterconnectionInterconnection互連在金屬化工藝中占有主要地位Al-Cu合金最為常用W塞（80s和90s）Ti：焊接層TiN：阻擋、黏附層未來互連金屬CuCMOSCMOS標(biāo)準(zhǔn)金屬化標(biāo)準(zhǔn)金屬化n互連：互連：Al-CuAl-Cu合金合金n接觸孔與通孔：金屬接觸孔與通孔：金屬W W（Ti/TiN/WTi/TiN/W）nTi/TiNTi/TiN：焊接層、阻擋層、防反射層：焊接層、阻擋層、防反射層n電極材料：金屬硅化物，如電極材料：金屬硅化物，如TiSi2T

3、iSi29.1 9.1 集成電路對(duì)金屬化的基本要求集成電路對(duì)金屬化的基本要求1. 1. 形成低阻歐姆接觸；形成低阻歐姆接觸；2. 2. 提供低阻互連線；提供低阻互連線；3. 3. 抗電遷移；抗電遷移；4. 4. 良好的附著性；良好的附著性；5. 5. 耐腐蝕；耐腐蝕；6. 6. 易于淀積和刻蝕；易于淀積和刻蝕；7. 7. 易鍵合；易鍵合；8. 8. 層與層之間絕緣要好。層與層之間絕緣要好。9.2 9.2 金屬化材料及應(yīng)用金屬化材料及應(yīng)用n常用金屬材料：常用金屬材料： AlAl、CuCu、PtPt、AuAu、W W、MoMo等等n常用的金屬性材料：常用的金屬性材料：1 1）摻雜的）摻雜的poly

4、-Sipoly-Si；2 2）金屬硅化物）金屬硅化物-PtSi-PtSi、CoSiCoSi2 2、WSiWSi2 2、TiSiTiSi2 2；3 3）金屬合金）金屬合金-AlSi-AlSi、AuCuAuCu、CuPtCuPt、TiBTiB2 2 、 SiGe SiGe 、 ZrB ZrB2 2 、TiCTiC、MoCMoC、TiNTiN。1 1、多晶硅、多晶硅柵和局部互連，柵和局部互連，70s70s中期后代替中期后代替AlAl作為柵極，作為柵極，高溫穩(wěn)定性：滿足注入后退火的要求，高溫穩(wěn)定性：滿足注入后退火的要求，AlAl不能自對(duì)準(zhǔn)不能自對(duì)準(zhǔn)重?fù)诫s，重?fù)诫s，LPCVDLPCVD淀積淀積2 2、硅

5、化物、硅化物電阻率比多晶硅更低，電阻率比多晶硅更低，常用常用TiSiTiSi2 2, WSi, WSi2 2和和 CoSiCoSi2 29.2 9.2 金屬化材料及應(yīng)用金屬化材料及應(yīng)用自對(duì)準(zhǔn)形成硅化鈦?zhàn)詫?duì)準(zhǔn)形成硅化鈦9.2 9.2 金屬化材料及應(yīng)用金屬化材料及應(yīng)用2 2、硅化物、硅化物3 3、鋁（、鋁（AlAl）最常用的金屬最常用的金屬導(dǎo)電性第四好的金屬導(dǎo)電性第四好的金屬 鋁鋁 2.65 2.65 -cm-cm 金金 2.2 2.2 -cm-cm 銀銀 1.6 1.6 -cm-cm 銅銅 1.7 1.7 -cm-cm1970s1970s中期以前用作柵電極金屬中期以前用作柵電極金屬9.2 9.2

6、 金屬化材料及應(yīng)用金屬化材料及應(yīng)用4 4、鈦、鈦TiTi：硅化鈦、氮化鈦硅化鈦、氮化鈦1 1）阻擋層：防止）阻擋層：防止W W擴(kuò)散擴(kuò)散2 2）粘合層：幫助）粘合層：幫助W W與與SiOSiO2 2表面粘合在一起表面粘合在一起3 3）防反射涂層）防反射涂層ARCARC（Anti-reflection Anti-reflection coatingcoating），防止反射提），防止反射提高光刻分辨率高光刻分辨率Ti/TiNTi/TiN的作用：的作用：9.2 9.2 金屬化材料及應(yīng)用金屬化材料及應(yīng)用5 5、鎢、鎢W W 接觸孔和通孔中的金屬塞接觸孔和通孔中的金屬塞 接觸孔變得越來越小和越窄接觸孔變

7、得越來越小和越窄 PVD Al PVD Al合金合金: : 臺(tái)階覆蓋性差，產(chǎn)生空洞臺(tái)階覆蓋性差，產(chǎn)生空洞 CVD W: CVD W: 出色的臺(tái)階覆蓋性和空隙填充能力出色的臺(tái)階覆蓋性和空隙填充能力 CVD W CVD W：更高電阻率：更高電阻率: 8.0-12 mW-cm: 8.0-12 mW-cm PVD Al PVD Al合金合金 (2.9 -3.3 mW-cm)(2.9 -3.3 mW-cm) W W只用作局部互連和金屬塞只用作局部互連和金屬塞9.2 9.2 金屬化材料及應(yīng)用金屬化材料及應(yīng)用接觸工藝的演變接觸工藝的演變9.2 9.2 金屬化材料及應(yīng)用金屬化材料及應(yīng)用W W鎢鎢 CVDCVD

8、nW W原料：原料：WFWF6 6n先與先與SiHSiH4 4反應(yīng)形成反應(yīng)形成W W淀積的核層淀積的核層: : 2WF 2WF6 6(g)(g) +3SiH+3SiH4 42W(s)+3SiF2W(s)+3SiF4 4(g)+6H(g)+6H2 2n再與再與H H2 2反應(yīng)淀積反應(yīng)淀積W: WFW: WF6 6(g)(g) +3H+3H2 2W(s)+6HF(g)W(s)+6HF(g)n需要需要TiN/TiTiN/Ti層與氧化物黏附層與氧化物黏附W Plug and TiN/Ti W Plug and TiN/Ti Barrier/Adhesion LayerBarrier/Adhesion

9、Layer6 6、銅、銅 Low resistivity (1.7 mWcm), lower power consumption and higher IC speed High electromigration resistance better reliability Poor adhesion with silicon dioxide Highly diffusive, heavy metal contamination Very hard to dry etch copper-halogen have very low volatility9.2 9.2 金屬化材料及應(yīng)用金屬化材料及應(yīng)

10、用9.3 Al9.3 Al的性質(zhì)及現(xiàn)象的性質(zhì)及現(xiàn)象電阻率：電阻率：AlAl為為2.72.7/cm/cm，（Au2.2 Au2.2 /cm/cm，Ag1.6 Ag1.6 /cm/cm， Cu 1.7 Cu 1.7/cm/cm） Al Al合金為合金為3.5 3.5 /cm/cm；溶解度：溶解度：AlAl在在SiSi中很低，中很低， Si Si在在AlAl中相對(duì)較高，如中相對(duì)較高，如 400 400時(shí)，時(shí)，0.25wt%0.25wt%； 450 450時(shí)，時(shí)，0.5wt%0.5wt%； 500 500時(shí)，時(shí)，0.8wt%0.8wt%；Al-SiAl-Si合金退火：合金退火：相當(dāng)可觀的相當(dāng)可觀的Si

11、Si 溶解到溶解到AlAl中。中。9.2.1 Al9.2.1 Al的性質(zhì)的性質(zhì)9.2.2 Al/Si9.2.2 Al/Si接觸的物理現(xiàn)象接觸的物理現(xiàn)象Al/SiAl/Si互溶：互溶：AlAl在在SiSi中的溶解度非常低；中的溶解度非常低； Si Si在在AlAl中的溶解度相對(duì)較高：中的溶解度相對(duì)較高： SiSi在在AlAl中擴(kuò)散：中擴(kuò)散：SiSi在在AlAl薄膜中的擴(kuò)散比在晶體薄膜中的擴(kuò)散比在晶體AlAl中中 大大4040倍。倍。AlAl與與SiOSiO2 2反應(yīng)：反應(yīng)：3SiO3SiO2 2+4Al3Si+2Al+4Al3Si+2Al2 2O O3 3n好處：降低好處：降低Al/SiAl/S

12、i歐姆接觸電阻；歐姆接觸電阻； 改善改善AlAl與與SiOSiO2 2的粘附性。的粘附性。9.3 Al9.3 Al的性質(zhì)及現(xiàn)象的性質(zhì)及現(xiàn)象9.2.3 Al/Si9.2.3 Al/Si接觸的尖楔現(xiàn)象接觸的尖楔現(xiàn)象n圖圖9.3 Al-Si9.3 Al-Si接觸引線工藝接觸引線工藝T=500T=500，t=30min.t=30min.，A=16A=16mm2 2，W=5mW=5m，d=1d=1mm，消耗，消耗SiSi層厚度層厚度 Z=0.35mZ=0.35m。（相當(dāng)于（相當(dāng)于VLSIVLSI的結(jié)深）的結(jié)深）SiSi非均勻消耗，非均勻消耗，實(shí)際上，實(shí)際上，A A* *AZZ，故，故 Al Al形成尖楔

13、形成尖楔9.3 Al9.3 Al的性質(zhì)及現(xiàn)象的性質(zhì)及現(xiàn)象n尖楔機(jī)理：尖楔機(jī)理：SiSi在在AlAl中的溶解度及快速中的溶解度及快速擴(kuò)散，使擴(kuò)散，使AlAl像尖釘一樣楔進(jìn)像尖釘一樣楔進(jìn)SiSi襯底；襯底；n深度：深度：超過超過1 1mm；n特點(diǎn)：特點(diǎn)：襯底：橫向擴(kuò)展襯底：橫向擴(kuò)展 襯底：縱向擴(kuò)展襯底：縱向擴(kuò)展nMOSMOS器件突出。器件突出。n改善：改善：AlAl中加中加1wt1wt-4wt-4wt的過量的過量SiSi9.2.3 Al/Si9.2.3 Al/Si接觸的尖楔現(xiàn)象接觸的尖楔現(xiàn)象9.3 Al9.3 Al的性質(zhì)及現(xiàn)象的性質(zhì)及現(xiàn)象9.2.4 9.2.4 電遷移現(xiàn)象及改進(jìn)電遷移現(xiàn)象及改進(jìn)電遷

14、移：電遷移：大電流密度下，導(dǎo)電電子與鋁金屬離子發(fā)生動(dòng)量交大電流密度下，導(dǎo)電電子與鋁金屬離子發(fā)生動(dòng)量交 換，使金屬離子沿電子流方向遷移。換，使金屬離子沿電子流方向遷移?，F(xiàn)象：現(xiàn)象：在陽極端堆積形成小丘或須晶，造成電極間短路；在陽極端堆積形成小丘或須晶，造成電極間短路； 在在 陰極端形成空洞，導(dǎo)致電極開路。陰極端形成空洞，導(dǎo)致電極開路。改進(jìn)電遷移的方法改進(jìn)電遷移的方法a.a.“竹狀竹狀”結(jié)構(gòu)：晶粒間界垂直電流方向。結(jié)構(gòu)：晶粒間界垂直電流方向。b.Al-Cu/Al-Si-Cub.Al-Cu/Al-Si-Cu合金：合金：CuCu等雜質(zhì)的分凝降低等雜質(zhì)的分凝降低AlAl在晶粒間界在晶粒間界 的擴(kuò)散系數(shù)。

15、的擴(kuò)散系數(shù)。c.c.三層夾心結(jié)構(gòu)：兩層三層夾心結(jié)構(gòu)：兩層AlAl之間加一層約之間加一層約500500的金屬過渡層，的金屬過渡層， 如如TiTi、HfHf、CrCr、TaTa。d.d.新的互連線：新的互連線：CuCu9.3 Al9.3 Al的性質(zhì)及現(xiàn)象的性質(zhì)及現(xiàn)象9.4 Cu9.4 Cu及低及低K K介質(zhì)介質(zhì)n9.4.1 9.4.1 問題的引出：?jiǎn)栴}的引出： 互連線延遲隨器件互連線延遲隨器件 尺寸的縮小而增加；尺寸的縮小而增加； 亞微米尺寸，互連延亞微米尺寸，互連延 遲大于柵（門）延遲遲大于柵（門）延遲9.4 Cu9.4 Cu及低及低K K介質(zhì)介質(zhì)n9.4.2 9.4.2 如何降低：如何降低：

16、RC RC常數(shù)：表征互連線延遲，即常數(shù)：表征互連線延遲，即 。- -互連線電阻率，互連線電阻率，l-l-互連線長(zhǎng)度，互連線長(zhǎng)度，- -介質(zhì)層介電常數(shù)介質(zhì)層介電常數(shù) 低低的互連線：的互連線：CuCu，=1.72=1.72cmcm； （AlAl，=2.82=2.82cmcm） 低低K K （）的介質(zhì)材料：）的介質(zhì)材料： 3.53.5oxmttlRC9.4.3 Cu9.4.3 Cu互連工藝的關(guān)鍵互連工藝的關(guān)鍵CuCu的淀積：不能采用傳統(tǒng)的的淀積：不能采用傳統(tǒng)的AlAl互連布線工藝?；ミB布線工藝。 （沒有適合（沒有適合CuCu的傳統(tǒng)刻蝕工藝）的傳統(tǒng)刻蝕工藝）低低K K介質(zhì)材料的選取與淀積介質(zhì)材料的選取

17、與淀積：與：與CuCu的兼容性，工藝兼容性，的兼容性，工藝兼容性， 高純度的淀積，可靠性。高純度的淀積，可靠性。勢(shì)壘層材料的選取和淀積勢(shì)壘層材料的選取和淀積：防止：防止CuCu擴(kuò)散；擴(kuò)散； CMP CMP和刻蝕的停止層。和刻蝕的停止層。CuCu的的CMPCMP平整化平整化大馬士革（鑲嵌式）結(jié)構(gòu)的互連工藝大馬士革（鑲嵌式）結(jié)構(gòu)的互連工藝低低K K介質(zhì)和介質(zhì)和CuCu互連的可靠性互連的可靠性9.4.4 Cu9.4.4 Cu互連工藝流程互連工藝流程9.4.5 Cu9.4.5 Cu的淀積的淀積n主要問題：缺乏刻蝕主要問題：缺乏刻蝕CuCu的合適的傳統(tǒng)工藝。的合適的傳統(tǒng)工藝。n解決：大馬士革鑲嵌工藝流程

18、：解決：大馬士革鑲嵌工藝流程： 在低在低K K介質(zhì)層上刻蝕出介質(zhì)層上刻蝕出CuCu互連線用的溝槽；互連線用的溝槽； CVDCVD淀積一層薄的金屬勢(shì)壘層：防止淀積一層薄的金屬勢(shì)壘層：防止CuCu的擴(kuò)散；的擴(kuò)散； 濺射淀積濺射淀積CuCu的籽晶層：電鍍或化學(xué)鍍的籽晶層：電鍍或化學(xué)鍍CuCu需要；需要； 溝槽和通孔淀積溝槽和通孔淀積CuCu：電鍍或化學(xué)鍍；：電鍍或化學(xué)鍍； 400400下退火；下退火； CuCu的的CMPCMP。銅金屬化（銅金屬化（Copper MetallizationCopper Metallization）多層多層CuCu互連互連9.5 9.5 多晶硅及硅化物多晶硅及硅化物n多

19、晶硅：多晶硅：CMOSCMOS多晶硅柵、局多晶硅柵、局域互連線；域互連線；9.5.1 9.5.1 多晶硅柵技術(shù)多晶硅柵技術(shù)n特點(diǎn)：源、漏自對(duì)準(zhǔn)特點(diǎn)：源、漏自對(duì)準(zhǔn)nCMOSCMOS工藝流程（圖工藝流程（圖9.129.12）n多晶硅柵取代多晶硅柵取代AlAl柵：柵： p p溝道溝道MOSMOS器件的器件的V VT T降低降低1.2-1.4V1.2-1.4V （通過降低（通過降低MSMS）；）；nV VT T降低提高了器件性能：降低提高了器件性能： 工作頻率提高；功耗降工作頻率提高；功耗降低；集成度提高；低；集成度提高；n多晶硅柵的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)自多晶硅柵的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)的源漏；降低對(duì)準(zhǔn)的源漏；降低V

20、 VT Tn互連延遲時(shí)間常數(shù)互連延遲時(shí)間常數(shù): : RC=RLRC=RL2 2 oxox/t/toxox R R、 l- l- - -互連線方塊電阻和長(zhǎng)度，互連線方塊電阻和長(zhǎng)度， oxox、t toxox- -介質(zhì)層的介電常數(shù)和厚度；介質(zhì)層的介電常數(shù)和厚度；n局限性：電阻率過高，局限性：電阻率過高，只能作局部互連只能作局部互連；9.5.2 9.5.2 多晶硅互連及其局限性多晶硅互連及其局限性9.5 9.5 多晶硅及硅化物多晶硅及硅化物9.6 VLSI9.6 VLSI與多層互連與多層互連n多層互連的提出：多層互連的提出： 互連線面積占主要；互連線面積占主要； 時(shí)延常數(shù)時(shí)延常數(shù)RCRC占主要。占主

21、要?；ミB引線面積與各種互連延遲互連引線面積與各種互連延遲9.6.1 9.6.1 多層互連對(duì)多層互連對(duì)VLSIVLSI的意義的意義1.1.提高集成度；提高集成度；2.2.降低互連延遲：降低互連延遲：3. 3. 降低成本降低成本（目前（目前CuCu互連最高已達(dá)互連最高已達(dá)1010多層）多層）9.6 VLSI9.6 VLSI與多層互連與多層互連平坦化的必要性平坦化的必要性9.6.2 9.6.2 平坦化平坦化9.6 VLSI9.6 VLSI與多層互連與多層互連n臺(tái)階的存在：如，臺(tái)階的存在：如， 引線孔、通孔邊緣；引線孔、通孔邊緣；n影響：薄膜的覆蓋效果；影響：薄膜的覆蓋效果；n改善：改善：改進(jìn)薄膜淀積

22、的工藝：改進(jìn)薄膜淀積的工藝：行星旋轉(zhuǎn)式真空蒸發(fā)裝置；行星旋轉(zhuǎn)式真空蒸發(fā)裝置； 濺射替代蒸發(fā)；濺射替代蒸發(fā)；PSGPSG、BPSGBPSG回流；回流；平坦化工藝平坦化工藝9.6.2 9.6.2 平坦化平坦化9.6 VLSI9.6 VLSI與多層互連與多層互連BPSGBPSG回流工藝回流工藝犧牲層工藝犧牲層工藝：等離子刻蝕工藝，等離子刻蝕工藝，局域完全平坦化局域完全平坦化9.6.2 9.6.2 平坦化平坦化9.6.3 CMP9.6.3 CMP工藝工藝CMPCMP：chemical mechanical planarizationchemical mechanical planarization化學(xué)機(jī)械平面化化學(xué)機(jī)械平面化 或或 chemical-mechanical polishing chemical-mechanical polishing 化學(xué)機(jī)械拋光化學(xué)機(jī)械拋光9.6 VLSI9.6 VLSI與多層互連與多層互連nCMPCMP的基本構(gòu)成：的基本構(gòu)成： 磨盤：聚亞胺酯薄片磨盤：聚亞胺酯薄片 磨料：磨料： a. a.反應(yīng)劑：氧化劑；反應(yīng)劑：氧化劑； b