集成電路工藝基礎(chǔ)——09_金屬化與多層互連.ppt

1、Chap 9金屬化和多層互連、金屬化金屬和金屬化材料在集成電路技術(shù)中的應(yīng)用作用是，根據(jù)設(shè)計(jì)將電源組件連接起來(lái)，形成完整的電路和系統(tǒng)，提供連接到外部電源的觸點(diǎn)互連和金屬化。不僅占據(jù)了相當(dāng)大的籌碼面積，而且經(jīng)常成為限制電路速度的主要矛盾。(約翰f肯尼迪、Northern Exposure(美國(guó)電視電視劇)、金屬材料的應(yīng)用、金屬材料的用途和要求：柵電極和柵氧化層之間具有良好的介面特性和穩(wěn)定性，多晶硅符合NMOS和PMOS閾值電壓對(duì)稱性要求的優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)改變摻雜類型和濃度，柵氧化層和功能以及柵氧化層良好的介面特性多晶硅柵工藝自泄漏對(duì)準(zhǔn)特性，金屬材料的應(yīng)用，金屬材料的用途和要求：互連材料電阻率小、積累容

2、易、易于識(shí)別的抗日電遷移特性Al Cu，金屬材料的應(yīng)用，金屬材料的用途和要求：接觸材料好的金屬/半導(dǎo)體接觸特性(良好的界面性和穩(wěn)定性，減少接觸電阻，減少半導(dǎo)體材料內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù))后續(xù)基本要求：1低電阻歐姆接觸，低電阻互連引線2抗電遷移性能好3附著好4防腐5容易積累和刻蝕6容易鍵組合7互連層絕緣好，層間互穿擴(kuò)散，擴(kuò)散障礙。金屬化材料特性的集成電路要求，根據(jù)晶格結(jié)構(gòu)和影響外延生長(zhǎng)的薄膜的晶格結(jié)構(gòu)，可以形成電特性電阻率、TCR、協(xié)函數(shù)、肖特基勢(shì)基座高度等機(jī)械特性，熱力學(xué)特性和化學(xué)特性，應(yīng)用集成電路鋁，Al的優(yōu)點(diǎn)：電阻率低，N、P硅或多晶硅與硅和BPSG的低電阻歐姆接觸。由于易于接觸和蝕刻，最常用的互連

3、金屬材料、金屬鋁膜的制造方法(PVD)、真空蒸發(fā)方法(電子束蒸發(fā))使用高壓加速和聚焦的電子束加熱蒸發(fā)源，將蒸發(fā)積累到硅表面濺射方法中。射頻，磁控濺射污染少，沉積速度快，均勻。Al/Si接觸的現(xiàn)象，Al和SiO2的反應(yīng)，Al-硅互溶，Al-Si表示兩種茄子成分和溫度的關(guān)系，Al-Si系的低共晶特性Al-Si系的共晶溫度為577，相應(yīng)的組分配比為Si為11.3%，Al為88.7減少接觸電阻假設(shè)Al引線與下方SiO2的粘合、Al/Si接觸中的尖銳楔形現(xiàn)象、Al/Si接觸中的尖銳楔形現(xiàn)象、Al/Si接觸中的尖銳楔形現(xiàn)象、Si溶解以及Al消耗的Si體積：Si在接觸孔區(qū)域A內(nèi)均勻消耗。Al-Si接口氧化層

4、厚度薄的氧(尖楔淺)厚的氧(尖楔深)襯里111:水平擴(kuò)展，雙極集成電路100:垂直擴(kuò)展，pn接頭段落，MOS集成電路(尖楔現(xiàn)象)，Al/Si接觸改進(jìn)尖楔問(wèn)題(威廉莎士比亞、硅、硅、硅、硅、硅、硅、硅、硅、硅、硅)未溶硅在硅單晶腫瘤歐姆接觸電阻牙齒增大，引線結(jié)合困難，雙層金屬化-第二種解決方法，鋁-中度多晶硅(P，As)在堆積鋁膜之前，通常會(huì)積累重P(As)摻雜多晶硅溶于鋁所需的硅原子，以抑制尖楔現(xiàn)象。鋁-阻斷層結(jié)構(gòu)-第三種解決方案是在鋁、硅之間堆積薄金屬層，代替中的摻雜多晶硅，稱為阻斷層。一般使用硅化物代替金屬。因?yàn)楣杌锱c硅表面的氧化層反應(yīng)，與硅很好地附著，與低歐姆接觸。電遷移現(xiàn)象，高電流密

5、度作用下互連引線上的金屬原子沿電子運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)的現(xiàn)象是電遷移(EM)。本質(zhì)是導(dǎo)體原子與牙齒導(dǎo)體電子流相互作用，鋁的情況是鋁原子沿晶粒之間的邊界擴(kuò)散。結(jié)果：在一個(gè)方向形成孔，從而打開(kāi)或打斷相互連接的引線。另一個(gè)方向是鋁原子的積累，形成了山丘，造成了廣角難和多層布線之間的短路。中值過(guò)期時(shí)間，表示電遷移現(xiàn)象的物理量是互連引線的中值過(guò)期時(shí)間“中值過(guò)期時(shí)間”(Median Time to Failure，MTF)，即50%互連引線過(guò)期的時(shí)間。電遷移改進(jìn)方法-第一種方法，結(jié)構(gòu)的選擇采用竹結(jié)構(gòu)的鋁引線，構(gòu)成多晶硅的粒子從下向上穿過(guò)引線截面，通過(guò)晶粒間的垂直電流方向，因此晶粒間的擴(kuò)散不起作用。鋁薄膜的鋁原子擴(kuò)

6、散系數(shù)類似于單晶，因此MTF值可能會(huì)上升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。電遷移改進(jìn)方法-第二種方法，鋁-銅合金和鋁-硅-銅合金Al- Si(1%2%)-Cu(4%)雜質(zhì)在鋁晶界凝固，從而降低鋁原子在鋁晶界的擴(kuò)散系數(shù)，從而使MTF提高到1。缺點(diǎn)：提高了電阻率，缺點(diǎn)：牙齒三層金屬在400退火1小時(shí)后在兩層鋁之間形成金屬間化合物，防止孔通過(guò)整個(gè)金屬引線，或者減少晶粒間鋁擴(kuò)散系數(shù)，使MTF提高23數(shù)量級(jí)。尋找新的互連金屬材料-第四種方法、銅和低K介質(zhì)、互連引線延遲常數(shù)低電阻材料(Cu)低K介質(zhì)材料、使用Cu作為互連材料的工藝流程、低于0.18um的工藝要求所需的雙大馬士革工藝工藝流程降低互連孔成本，以及大規(guī)模集成電路和多

7、層互連、集成電路技術(shù)摩爾定律發(fā)展、零件特性尺寸減少、集成增長(zhǎng)互連面積成為決定籌碼面積的主要因素的互連延遲可以與零件語(yǔ)句延遲相比較。 互聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)成為制約集成電路技術(shù)發(fā)展的重要因素。單層金屬互連不能滿足需求。應(yīng)使用多層金屬互連技術(shù)。多層金屬互連技術(shù)對(duì)VLSI的重要性可以大大提高VLSI的整合密度，從而進(jìn)一步提高整合率?；ミB是一種互連，通過(guò)減少設(shè)備之間互連引起的延遲，可以在較小的籌碼區(qū)域中實(shí)現(xiàn)相同的電路功能。每個(gè)附加層需要兩個(gè)遮罩板，多層互連的工藝過(guò)程，平整。(a)不平坦(b)部分平坦的油田層外觀(CVD SiO2后瞬間)(c)局部平坦的油田層(使用犧牲層技術(shù))(d)具有全面平坦性的油田層(CMP

8、)，平整；硅和拋光板都以一定的速度旋轉(zhuǎn)，并利用磨料提供的化學(xué)反應(yīng)和硅在拋光板上承受的機(jī)械拋光，消除了硅表面的突出部分，最終實(shí)現(xiàn)了平整。問(wèn)題：終點(diǎn)站檢測(cè)(需要中斷層)研磨產(chǎn)物清洗，提高樓梯復(fù)蓋性的方法，補(bǔ)型罩原因是反應(yīng)物吸附，反應(yīng)時(shí)有明顯的表面移動(dòng)。吸附原子遷移率的元素吸附原子的種類、能量基板溫度離子吸附原子的轟擊反應(yīng)室類型、累積環(huán)境BPSG回流、真空蒸發(fā)、行星旋轉(zhuǎn)真空沉積裝置使用CMP工藝、改善樓梯復(fù)蓋的方法、接觸和互連的現(xiàn)狀和發(fā)展、當(dāng)前互連密度(籌碼總面積的7080%)連接寬度窄(電阻) 淺連接滲透等Cu工藝問(wèn)題電鍍或化學(xué)鍍方法(包括CMOS工藝)電遷移性能下降)CVD(可靠性不好)刻蝕工藝低介電率介質(zhì)材料多孔介質(zhì)材料非常脆，整合工藝面臨很大困難。后工序，主要工藝計(jì)劃；長(zhǎng)篇焊接引線；封裝成品測(cè)試印刷包裝1。切片用激光束、金鋼刀、金鋼輪、包裝是將芯片組裝在外殼支架或框架上。常用的方法有裴秀智鍵、共晶焊、鉛錫合金焊等?；I碼、框架、銀漿、籌碼、框架上籌碼