集成電路工藝基礎(chǔ)——09_金屬化及多層互連

1、電子科技大學(xué)中山學(xué)院Chap 9 金屬化與多層互連金屬化與多層互連v金屬化金屬化 金屬及金屬性材料在集成電路技術(shù)中的應(yīng)用金屬及金屬性材料在集成電路技術(shù)中的應(yīng)用 金屬化的作用金屬化的作用 將有源元件按設(shè)計(jì)的要求聯(lián)結(jié)起來形成一個(gè)完整的將有源元件按設(shè)計(jì)的要求聯(lián)結(jié)起來形成一個(gè)完整的電路和系統(tǒng)電路和系統(tǒng) 提供與外電源相連接的接點(diǎn)提供與外電源相連接的接點(diǎn) 互連和金屬化不僅占去了相當(dāng)?shù)男酒娣e，而互連和金屬化不僅占去了相當(dāng)?shù)男酒娣e，而且往往是且往往是限制電路速度限制電路速度的主要矛盾之所在。的主要矛盾之所在。電子科技大學(xué)中山學(xué)院金屬材料的應(yīng)用金屬材料的應(yīng)用v金屬材料的用途及要求：金屬材料的用途及要求： 柵

2、電極柵電極 與柵氧化層之間有良好的界面特性和穩(wěn)定性與柵氧化層之間有良好的界面特性和穩(wěn)定性 合適的功函數(shù)，滿足合適的功函數(shù)，滿足NMOS和和PMOS閾值電壓閾值電壓對(duì)稱的要求對(duì)稱的要求 多晶硅的優(yōu)點(diǎn)多晶硅的優(yōu)點(diǎn) 可以通過改變摻雜的類型和濃度來調(diào)節(jié)功函數(shù)可以通過改變摻雜的類型和濃度來調(diào)節(jié)功函數(shù) 與柵氧化層有很好的界面特性與柵氧化層有很好的界面特性 多晶硅柵工藝具有源漏自對(duì)準(zhǔn)的特點(diǎn)多晶硅柵工藝具有源漏自對(duì)準(zhǔn)的特點(diǎn)電子科技大學(xué)中山學(xué)院金屬材料的應(yīng)用金屬材料的應(yīng)用v金屬材料的用途及要求：金屬材料的用途及要求： 互連材料互連材料 電阻率小電阻率小 易于淀積和刻蝕易于淀積和刻蝕 好的抗電遷移特性好的抗電遷移

3、特性 Al Cu電子科技大學(xué)中山學(xué)院金屬材料的應(yīng)用金屬材料的應(yīng)用v金屬材料的用途及要求：金屬材料的用途及要求： 接觸材料接觸材料 良好的金屬良好的金屬/半導(dǎo)體接觸特性（好的界面性和半導(dǎo)體接觸特性（好的界面性和穩(wěn)定性，接觸電阻小，在半導(dǎo)體材料中的擴(kuò)穩(wěn)定性，接觸電阻小，在半導(dǎo)體材料中的擴(kuò)散系數(shù)小）散系數(shù)?。?后續(xù)加工工序中的穩(wěn)定性；后續(xù)加工工序中的穩(wěn)定性； 保證器件不失效保證器件不失效 Al 硅化物（硅化物（PtSi、CoSi）電子科技大學(xué)中山學(xué)院集成電路對(duì)金屬化材料特性的要求集成電路對(duì)金屬化材料特性的要求v基本要求：基本要求： 1 低阻的歐姆接觸，低阻的互連引線低阻的歐姆接觸，低阻的互連引線 2

4、 抗電遷移性能好抗電遷移性能好 3 附著性好附著性好 4 耐腐蝕耐腐蝕 5 易淀積和刻蝕易淀積和刻蝕 6 易鍵合易鍵合 7 互連層絕緣性好，層間不發(fā)生互相滲透和擴(kuò)散，要互連層絕緣性好，層間不發(fā)生互相滲透和擴(kuò)散，要求有一個(gè)擴(kuò)散阻擋層。求有一個(gè)擴(kuò)散阻擋層。電子科技大學(xué)中山學(xué)院集成電路對(duì)金屬化材料特性的要求集成電路對(duì)金屬化材料特性的要求v晶格結(jié)構(gòu)和外延生長的影響晶格結(jié)構(gòu)和外延生長的影響 薄膜的晶格結(jié)構(gòu)決定其特性薄膜的晶格結(jié)構(gòu)決定其特性v電學(xué)特性電學(xué)特性 電阻率、電阻率、TCR、功函數(shù)、肖特基勢壘高度等、功函數(shù)、肖特基勢壘高度等v機(jī)械特性、熱力學(xué)特性以及化學(xué)特性機(jī)械特性、熱力學(xué)特性以及化學(xué)特性電子科技

5、大學(xué)中山學(xué)院鋁在集成電路中的應(yīng)用鋁在集成電路中的應(yīng)用26/10cmRcmAl7 . 2v Al的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)： 電阻率低電阻率低 與與n+,p +硅或多晶硅能形成低阻的歐姆接觸硅或多晶硅能形成低阻的歐姆接觸 與硅和與硅和BPSG有良好的附著性有良好的附著性 易于淀積和刻蝕易于淀積和刻蝕v故成為最常用互連金屬材料故成為最常用互連金屬材料電子科技大學(xué)中山學(xué)院金屬鋁膜的制備方法（金屬鋁膜的制備方法（PVD）v真空蒸發(fā)法（真空蒸發(fā)法（電子束蒸發(fā)）電子束蒸發(fā)） 利用高壓加速并聚焦的電子束加熱蒸發(fā)源使之利用高壓加速并聚焦的電子束加熱蒸發(fā)源使之蒸發(fā)淀積在硅片表面蒸發(fā)淀積在硅片表面v濺射法濺射法 射頻、磁控濺

6、射射頻、磁控濺射 污染小，淀積速率快，均勻性，臺(tái)階覆蓋性好污染小，淀積速率快，均勻性，臺(tái)階覆蓋性好電子科技大學(xué)中山學(xué)院Al/Si接觸中的現(xiàn)象接觸中的現(xiàn)象v 鋁硅互溶鋁硅互溶v Al與與SiO2的反應(yīng)的反應(yīng)電子科技大學(xué)中山學(xué)院 鋁硅互溶鋁硅互溶v鋁硅相圖鋁硅相圖 相圖表示兩種組分與溫度的關(guān)系相圖表示兩種組分與溫度的關(guān)系 Al-Si系具有系具有低共熔特性低共熔特性 Al-Si系的共熔溫度為系的共熔溫度為577，相應(yīng)的組分配比為，相應(yīng)的組分配比為Si占占11.3%，Al占占88.7% 淀積淀積Al時(shí)時(shí)Si襯底的溫度不得高于襯底的溫度不得高于577 插圖表示插圖表示Si在在Al中的固熔度中的固熔度 4

7、00 時(shí)，時(shí)，Si在在Al中的固熔度為中的固熔度為0.25%（重量比）（重量比） Al在在Si中的溶解度低，中的溶解度低，Si在在Al中的溶解度較高。中的溶解度較高。 故退火時(shí)，故退火時(shí)， 有相當(dāng)可觀的有相當(dāng)可觀的Si原子會(huì)溶到原子會(huì)溶到Al中中電子科技大學(xué)中山學(xué)院vSi在在Al中的擴(kuò)散系數(shù)中的擴(kuò)散系數(shù) 在一定的退火溫度下，退火時(shí)間為在一定的退火溫度下，退火時(shí)間為ta時(shí)，時(shí)，Si原原子的擴(kuò)散距離為子的擴(kuò)散距離為 其中其中D為擴(kuò)散系數(shù)為擴(kuò)散系數(shù)aSiDtL 鋁硅互溶鋁硅互溶電子科技大學(xué)中山學(xué)院Al與與SiO2的反應(yīng)的反應(yīng)vAl與與SiO2的反應(yīng)的反應(yīng) 4Al+ 3SiO2 3Si+2Al2O3

8、吃掉吃掉Si表面的表面的SiO2 ，降低接觸電阻降低接觸電阻 改善改善Al引線與下面引線與下面SiO2 的黏附性的黏附性電子科技大學(xué)中山學(xué)院Al/Si接觸中的尖楔現(xiàn)象接觸中的尖楔現(xiàn)象電子科技大學(xué)中山學(xué)院Al/Si接觸中的尖楔現(xiàn)象接觸中的尖楔現(xiàn)象電子科技大學(xué)中山學(xué)院Al/Si接觸中的尖楔現(xiàn)象接觸中的尖楔現(xiàn)象v Si溶解與溶解與Al中，消耗的中，消耗的Si體積為：體積為：v 假定假定Si在接觸孔面積在接觸孔面積A內(nèi)是均勻消耗的，則內(nèi)是均勻消耗的，則消耗掉的消耗掉的Si層的厚度為：層的厚度為：SiAlnnSdwDtV)(2SiAlnnSAdwDt)(2Z電子科技大學(xué)中山學(xué)院影響尖楔因素影響尖楔因素v

9、Al-Si界面的氧化層的厚度界面的氧化層的厚度 薄氧薄氧(尖楔較淺）尖楔較淺） 厚氧厚氧(尖楔較深）尖楔較深）v襯底晶向襯底晶向 111：橫向擴(kuò)展：橫向擴(kuò)展 、雙極集成電路、雙極集成電路 100：垂直擴(kuò)展：垂直擴(kuò)展 、pn結(jié)短路結(jié)短路 、MOS集成電路集成電路（尖楔現(xiàn)象嚴(yán)重）（尖楔現(xiàn)象嚴(yán)重）電子科技大學(xué)中山學(xué)院Al/Si接觸的改進(jìn)接觸的改進(jìn)vAl/Si接觸的改進(jìn)方法：接觸的改進(jìn)方法：鋁鋁-硅合金金屬化引線硅合金金屬化引線鋁鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)鋁鋁-阻擋層結(jié)構(gòu)阻擋層結(jié)構(gòu)電子科技大學(xué)中山學(xué)院鋁鋁-硅合金金屬化引線硅合金金屬化引線-第第1種解決方案種解決方案v用用Al

10、-Si合金代替純鋁作為接觸和互連材料合金代替純鋁作為接觸和互連材料。v可消弱尖楔問題，卻引起新的問題可消弱尖楔問題，卻引起新的問題 硅的分凝問題硅的分凝問題在較高合金退火溫度下溶解在較高合金退火溫度下溶解在在Al中的中的Si，在冷卻過程中又從，在冷卻過程中又從Al中析出。中析出。 未溶解的硅形成一個(gè)個(gè)硅單晶節(jié)瘤未溶解的硅形成一個(gè)個(gè)硅單晶節(jié)瘤 歐姆接觸電阻變大，引線鍵合困難歐姆接觸電阻變大，引線鍵合困難電子科技大學(xué)中山學(xué)院雙層金屬化雙層金屬化-第第2種解決方案種解決方案v 鋁鋁-重?fù)诫s多晶硅（重?fù)诫s多晶硅（P,As） 在淀積鋁膜前一般先淀積一層重在淀積鋁膜前一般先淀積一層重P（As）摻）摻雜多晶

11、硅雜多晶硅 提供溶解于鋁中所需的硅原子，從而抑制了尖提供溶解于鋁中所需的硅原子，從而抑制了尖楔現(xiàn)象楔現(xiàn)象 鋁鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于nMOS工藝中。工藝中。電子科技大學(xué)中山學(xué)院鋁鋁-阻擋層結(jié)構(gòu)阻擋層結(jié)構(gòu)-第第3種解決方案種解決方案v 可在鋁、硅之間淀積一層薄金屬層，代替重磷摻可在鋁、硅之間淀積一層薄金屬層，代替重磷摻雜多晶硅，稱該薄金屬層為阻擋層。一般用雜多晶硅，稱該薄金屬層為阻擋層。一般用硅化硅化物物代替金屬，因?yàn)楣杌锟梢院凸璞砻娴难趸瘜哟娼饘?，因?yàn)楣杌锟梢院凸璞砻娴难趸瘜影l(fā)生反應(yīng)，從而與硅有很好的附著作用和低的歐發(fā)生反應(yīng)，從而與硅有很好

12、的附著作用和低的歐姆接觸電阻。姆接觸電阻。電子科技大學(xué)中山學(xué)院電遷移現(xiàn)象電遷移現(xiàn)象v在在較高的電流密度較高的電流密度作用下，互連引線中的金屬原作用下，互連引線中的金屬原子將會(huì)子將會(huì)沿著電子運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行遷移沿著電子運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行遷移，這種現(xiàn)象就，這種現(xiàn)象就是電遷移是電遷移(EM)。 本質(zhì)是導(dǎo)體原子與通過該導(dǎo)體的電子流互相作本質(zhì)是導(dǎo)體原子與通過該導(dǎo)體的電子流互相作用，對(duì)于鋁就是鋁原子沿著晶粒間界的擴(kuò)散。用，對(duì)于鋁就是鋁原子沿著晶粒間界的擴(kuò)散。v結(jié)果：結(jié)果： 一個(gè)方向形成空洞，使互連引線開路或斷開。一個(gè)方向形成空洞，使互連引線開路或斷開。 另一個(gè)方向則由于鋁原子的堆積而形成小丘，另一個(gè)方向則由于鋁原子

13、的堆積而形成小丘，造成光刻困難以及多層布線之間的短路。造成光刻困難以及多層布線之間的短路。電子科技大學(xué)中山學(xué)院中值失效時(shí)間中值失效時(shí)間v 表征電遷移現(xiàn)象的物理量是互連引線的中值失效表征電遷移現(xiàn)象的物理量是互連引線的中值失效時(shí)間時(shí)間MTF（Median Time to Failure），即），即50%互互連引線失效的時(shí)間。連引線失效的時(shí)間。電子科技大學(xué)中山學(xué)院改進(jìn)電遷移的方法改進(jìn)電遷移的方法-第第1種方法種方法v結(jié)構(gòu)的選擇結(jié)構(gòu)的選擇 采用竹狀結(jié)構(gòu)的鋁引線，組成多晶硅的晶粒從采用竹狀結(jié)構(gòu)的鋁引線，組成多晶硅的晶粒從下而上貫穿引線截面，晶粒間界垂直電流方向，下而上貫穿引線截面，晶粒間界垂直電流方向，

14、所以晶粒間界的擴(kuò)散不起作用，鋁原子在鋁薄所以晶粒間界的擴(kuò)散不起作用，鋁原子在鋁薄膜中的擴(kuò)散系數(shù)和單晶體相似，從而可使膜中的擴(kuò)散系數(shù)和單晶體相似，從而可使MTF值提高二個(gè)數(shù)量級(jí)。值提高二個(gè)數(shù)量級(jí)。電子科技大學(xué)中山學(xué)院改進(jìn)電遷移的方法改進(jìn)電遷移的方法-第第2種方法種方法v鋁鋁-銅合金和鋁銅合金和鋁-硅硅-銅合金銅合金 Al- Si（ 1%2%）-Cu（4%） 雜質(zhì)在鋁晶粒晶界分凝，可以降低鋁原子在雜質(zhì)在鋁晶粒晶界分凝，可以降低鋁原子在鋁晶界的擴(kuò)散系數(shù)，從而使鋁晶界的擴(kuò)散系數(shù)，從而使MTF提高一個(gè)數(shù)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。量級(jí)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn): 增大了電阻率增大了電阻率 不易刻蝕、易受不易刻蝕、易受Cl2腐蝕腐

15、蝕電子科技大學(xué)中山學(xué)院改進(jìn)電遷移的方法改進(jìn)電遷移的方法-第第3種方法種方法v三層夾心結(jié)構(gòu)三層夾心結(jié)構(gòu) 可以在兩次鋁之間增加大約可以在兩次鋁之間增加大約500A厚的過渡金屬厚的過渡金屬層。這三層金屬通過層。這三層金屬通過400退火退火1小時(shí)后，在兩小時(shí)后，在兩層鋁之間形成金屬間化合物，可以防止空洞穿層鋁之間形成金屬間化合物，可以防止空洞穿越整個(gè)金屬引線，也可以降低鋁在晶粒間界的越整個(gè)金屬引線，也可以降低鋁在晶粒間界的擴(kuò)散系數(shù)，使擴(kuò)散系數(shù)，使MTF提高提高23個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。v尋找新的互連金屬材料尋找新的互連金屬材料-第第4種方法種方法電子科技大學(xué)中山學(xué)院銅及低銅及低K介質(zhì)介質(zhì)v互連引線的延遲

16、時(shí)間常數(shù)互連引線的延遲時(shí)間常數(shù) 低電阻率材料（低電阻率材料（Cu） 低低K介質(zhì)材料介質(zhì)材料cmCu0 .2oxmoxmttltwlwtlRC2電子科技大學(xué)中山學(xué)院以以Cu作為互連材料的工藝流程作為互連材料的工藝流程v0.18um以下的工藝所需以下的工藝所需v雙大馬士革（雙大馬士革（Dual-Damascence)工藝工藝 工藝流程工藝流程 互連互連+通孔同時(shí)淀積，通孔同時(shí)淀積，CMP時(shí)僅需對(duì)互連材料時(shí)僅需對(duì)互連材料進(jìn)行進(jìn)行 優(yōu)點(diǎn)：工藝簡化，成本降低優(yōu)點(diǎn)：工藝簡化，成本降低返回返回電子科技大學(xué)中山學(xué)院低低K介質(zhì)材料和淀積技術(shù)介質(zhì)材料和淀積技術(shù)v低低 K介質(zhì)材料介質(zhì)材料 介電常數(shù)比介電常數(shù)比SiO

17、2 低的介質(zhì)材料，一般小于低的介質(zhì)材料，一般小于3.5 降低寄生降低寄生C，提高速度，提高速度oxmoxmttltwlwtlRC2電子科技大學(xué)中山學(xué)院大規(guī)模集成電路與多層互連大規(guī)模集成電路與多層互連v 集成電路技術(shù)按摩爾定律發(fā)展，器件特征尺寸減集成電路技術(shù)按摩爾定律發(fā)展，器件特征尺寸減小，集成度不斷提高。小，集成度不斷提高。 互連線所占面積成為決定芯片面積的主要因素互連線所占面積成為決定芯片面積的主要因素 互連線延遲可以與器件門延遲相比較互連線延遲可以與器件門延遲相比較v 互連系統(tǒng)已經(jīng)成為限制集成電路技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展互連系統(tǒng)已經(jīng)成為限制集成電路技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素，單層金屬互連無法滿足需求，

18、必須的重要因素，單層金屬互連無法滿足需求，必須使用多層金屬互連技術(shù)。使用多層金屬互連技術(shù)。電子科技大學(xué)中山學(xué)院多層金屬互連技術(shù)對(duì)多層金屬互連技術(shù)對(duì)VLSI的意義的意義v可以使可以使VLSI的集成密度大大增加，從而進(jìn)一步提的集成密度大大增加，從而進(jìn)一步提高集成度。高集成度。 互連是器件之間的互連互連是器件之間的互連v可以降低互連線導(dǎo)致的延遲時(shí)間可以降低互連線導(dǎo)致的延遲時(shí)間v 可以在更小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)相同的電路功能可以在更小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)相同的電路功能v 互連線每增加一層，需要增加兩塊掩膜版互連線每增加一層，需要增加兩塊掩膜版oxmttlRC2電子科技大學(xué)中山學(xué)院多層互連的工藝流程多層互連的工

19、藝流程電子科技大學(xué)中山學(xué)院平坦化平坦化（a）無平坦化）無平坦化（b）經(jīng)部分平坦化后的介電層外）經(jīng)部分平坦化后的介電層外觀觀（CVD SiO2后回刻）后回刻） （c）具備局部平坦度的介電層）具備局部平坦度的介電層（使用犧牲層技術(shù)）（使用犧牲層技術(shù)） （d）具備全面性平坦度的介電）具備全面性平坦度的介電層層 （CMP）電子科技大學(xué)中山學(xué)院平坦化平坦化電子科技大學(xué)中山學(xué)院CMP（IBM，1980）電子科技大學(xué)中山學(xué)院CMP電子科技大學(xué)中山學(xué)院CMPv工藝過程工藝過程 硅片被壓在研磨盤上，硅片與研磨盤之間有一層研磨硅片被壓在研磨盤上，硅片與研磨盤之間有一層研磨劑，硅片與研磨盤都以一定速率轉(zhuǎn)動(dòng)，利用劑，

20、硅片與研磨盤都以一定速率轉(zhuǎn)動(dòng)，利用研磨劑提研磨劑提供的化學(xué)反應(yīng)和硅片在研磨盤上承受的機(jī)械研磨，把供的化學(xué)反應(yīng)和硅片在研磨盤上承受的機(jī)械研磨，把硅片表面突出的部分除去硅片表面突出的部分除去，最終實(shí)現(xiàn)平坦化。，最終實(shí)現(xiàn)平坦化。v問題問題: 終點(diǎn)探測（需要使用中止層）終點(diǎn)探測（需要使用中止層） 研磨產(chǎn)物的清洗研磨產(chǎn)物的清洗電子科技大學(xué)中山學(xué)院改善臺(tái)階覆蓋性的辦法改善臺(tái)階覆蓋性的辦法v保形覆蓋的原因是反應(yīng)物在吸附、反應(yīng)時(shí)保形覆蓋的原因是反應(yīng)物在吸附、反應(yīng)時(shí)有顯著的表面遷移，決定吸附原子遷移率有顯著的表面遷移，決定吸附原子遷移率的因素的因素 吸附原子的種類、能量吸附原子的種類、能量 襯底溫度襯底溫度 離

21、子對(duì)吸附原子的轟擊離子對(duì)吸附原子的轟擊v 反應(yīng)室的類型和淀積環(huán)境反應(yīng)室的類型和淀積環(huán)境v BPSG回流回流電子科技大學(xué)中山學(xué)院v 真空蒸發(fā)，采用行星旋轉(zhuǎn)式真空淀積裝置，通過真空蒸發(fā)，采用行星旋轉(zhuǎn)式真空淀積裝置，通過蒸發(fā)源和襯底相對(duì)方向的連續(xù)改變，有效地消除蒸發(fā)源和襯底相對(duì)方向的連續(xù)改變，有效地消除蒸發(fā)死角，從而增加薄膜的均勻度。蒸發(fā)死角，從而增加薄膜的均勻度。vCMP工藝工藝改善臺(tái)階覆蓋性的辦法改善臺(tái)階覆蓋性的辦法電子科技大學(xué)中山學(xué)院接觸與互連的現(xiàn)狀與發(fā)展接觸與互連的現(xiàn)狀與發(fā)展v 現(xiàn)狀現(xiàn)狀 互連線密度大（占到芯片總面積的互連線密度大（占到芯片總面積的7080%） 連線的寬度窄（電阻增大，電流密度增加）連線的寬度窄（電阻增大，電流密度增加）v Al的問題的問題 電遷移嚴(yán)重、電阻率偏高、淺結(jié)穿透等電遷移嚴(yán)重、電阻率偏高、淺結(jié)穿透等v Cu工藝問題工藝問題 電鍍或化學(xué)鍍的方法（與電鍍或化學(xué)鍍的方法（與CMOS工藝的兼容性不很好）工藝的兼容性不很好） PVD（生成的空洞多，抗電遷移性能差）（生成的空洞多，抗電遷移性能差） CVD（可靠性不好）（可靠性不好） 缺乏刻蝕工藝缺乏刻蝕工藝v 低介電系數(shù)介質(zhì)材料低介電系數(shù)介質(zhì)材料 多孔電介質(zhì)