6金属化与多层互连

集成电路工艺基础6、金属化与多层互连（薄膜淀积、介质）微电子学院戴显英2010年9月课程内容1、引言2、硅片制备与高温工艺（拉单晶、氧化、扩散）3、薄膜生长（PVD和CVD）4、掺杂技术（扩散、注入）5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）6、金属化与多层互连（薄膜淀积、介质）7、CMOS集成电路工艺流程8、双极集成电路和BiCMOS的工艺集成3JinchengZhang本章主要内容„金属化（Metallization）„化学机械抛光（ChemicalMechanicalPolishing/ChemicalMechanicalplanarization）4JinchengZhang要求„金属化的作用„三种最常用的金属及三种不同的金属化方法„Al栅及互连与多晶硅栅及互连„Cu互连及互连延迟„W塞及TiN„CMP：必要性及应用5JinchengZhang圆片工艺流程（WaferProcessFlow）6JinchengZhang金属化„定义：金属及金属性材料在集成电路技术中的应用„应用：－栅电极材料：MOSFET和MISFET器件的栅极－金半接触电极材料：直接与半导体材料接触，提供与外部相连的连接点－互连材料：连接芯片内各独立元器件7JinchengZhang常用的金属及金属性材料常用的金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo、Ti、Co、Ta等常用的金属性材料：掺杂的poly-Si；金属硅化物--PtSi、TiSi、CoSi2、WSi2；金属合金--AlSi、AlCu、AuCu、CuPt、TiB2、SiGe、ZrB2、TiC、MoC、TiN。8JinchengZhang集成电路对金属化的基本要求1.形成低阻欧姆接触；2.提供低阻互连线；3.抗电迁移；4.良好的附着性；5.耐腐蚀；6.易于淀积和刻蚀；7.易键合；8.层与层之间绝缘要好。9JinchengZhangCMOS标准金属化10JinchengZhang互连材料－Interconnection¾互连在金属化工艺中占有主要地位¾Al-Cu合金最为常用¾W塞（80s和90s）¾Ti：焊接层¾TiN：阻挡、黏附层¾未来互连金属－－Cu11JinchengZhang铜金属化（CopperMetallization）12JinchengZhang栅电极和金半接触电极„栅电极：以前Al；目前多晶硅代替Al„金半接触电极：硅化物（Silicide）–WSi2–TiSi2–CoSi2,MoSi2,TaSi2,…„Pt,Au,等作为DRAM电容的电极13JinchengZhang导电薄膜1、多晶硅－CMOS多晶硅栅和局部互连，－70s中期后代替Al作为栅极：p沟道MOS器件的VT降低1.2-1.4V（通过降低ФMS）„VT降低提高了器件性能：①工作频率提高；②功耗降低；③集成度提高；－重掺杂，LPCVD淀积－工艺特点：自对准（Al栅不能）－高温稳定性：满足注入后退火的要求，Al不能14JinchengZhang硅化物2、硅化物－电阻率比多晶硅更低，－常用TiSi2,WSi2和CoSi2„TiSi2andCoSi2–Ar离子溅射去除本征氧化层（Ti或Co不与SiO2反应）–淀积Ti或Co–退火形成硅化物–湿法剥离去除未反应的Ti或Co–二次退火（可选）提高电导率15JinchengZhang自对准形成硅化钛16JinchengZhang导电薄膜3、铝（Al）ƒ最常用的金属ƒ导电性第四好的金属–铝2.65μΩ−cm–金2.2μΩ−cm–银1.6μΩ−cm–铜1.7μΩ−cmƒ1970s中期以前用作栅电极金属17JinchengZhangAl-Si合金„在源/漏区Al与Si直接接触„Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低；Si在Al中的溶解度相对较高（~1%）Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中大40倍„Al/Si接触的尖楔现象：Si在Al中的溶解度及快速扩散„PN结穿刺–Al刺穿过掺杂PN结，使源/漏与衬底短路„400℃热退火在Si-Al界面形成Si-Al合金18JinchengZhang尖楔现象19JinchengZhangPN结穿刺(Junctionspike)20JinchengZhang电迁移Electromigration„电迁移：大电流密度下发生质量（离子/晶粒）输运。„现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。„机理：在大电流密度作用下，导电电子与铝离子/晶粒发生动量交换，使金属离子/晶粒沿电子流方向迁移。21JinchengZhang电迁移Electromigration„电迁移使金属线变窄变薄„残留引线中电流密度更高–使电子轰击加剧，引起进一步Al晶粒的迁移，甚至使金属线断裂„电迁移影响IC的可靠性22JinchengZhang电迁移抑制ElectromigrationPrevention„少量铜与铝形成的合金将大大提供Al对电迁移的抵抗，铜作为Al晶粒间的粘合剂，防止Al晶粒因电子轰击而迁移„Al-Cu(0.5%)最常用„使用Al-Si-Cu合金23JinchengZhang铝合金的淀积„PVD（物理气相淀积）–溅射Sputtering–蒸发Evaporation：热蒸发和电子束蒸发„CVD（化学气相淀积）–二甲基氢化物[DMAH,Al(CH3)2H]–热处理24JinchengZhang导电薄膜4、钛Ti：硅化钛、氮化钛TiN：阻挡层，防止W扩散TiN：粘合层，帮助W与SiO2表面粘合在一起TiN：防反射涂层ARC（Anti-reflectioncoating），防止反射提高光刻分辨率25JinchengZhang导电薄膜5、钨W•接触孔和通孔中的金属塞•接触孔变得越来越小和越窄•PVDAl合金:台阶覆盖性差，产生空洞•CVDW:出色的台阶覆盖性和空隙填充能力•CVDW：更高电阻率:8.0~12μΩ−cmPVDAl合金(2.9~3.3μΩ−cm)•W只用作局部互连和金属塞26JinchengZhang接触工艺的演变27JinchengZhangW钨CVD„W原料：WF6„与SiH4反应形成成核层„W淀积：与H2反应„需要TiN层与氧化物黏附28JinchengZhangWPlugandTiN/TiBarrier/AdhesionLayer29JinchengZhang导电薄膜6、铜•Lowresistivity(1.7μΩ×cm),–lowerpowerconsumptionandhigherICspeed•Highelectromigrationresistance–betterreliability•Pooradhesionwithsilicondioxide•Highlydiffusive,heavymetalcontamination•Veryhardtodryetch–copper-halogenhaveverylowvolatility30JinchengZhangCu互连及低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31JinchengZhangCu互连及低K介质„如何降低互连延迟：RC常数：表征互连线延迟，即。ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm；（Al，ρ=2.82μΩcm）②低ε（K）的介质材料：ε3.5oxmttlRCρε=32JinchengZhangCopperDeposition„PVDofseedlayer„ECPorCVDbulklayer„Thermalannealafterbulkcopperdeposition–increasethegrainsize–improvingconductivity33JinchengZhangCu淀积的大马士革镶嵌工艺①在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽；②CVD淀积一层薄的金属势垒层：防止Cu的扩散；③溅射淀积Cu的籽晶层：电镀或化学镀Cu需要；④沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀；⑤400℃下退火；⑥Cu的CMP。34JinchengZhangCu互连工艺流程35JinchengZhang多层Cu互连36JinchengZhang导电薄膜7、Tantalum钽•Barrierlayer•Preventcopperdiffusion•Sputteringdeposition8、Cobalt钴•Mainlyusedforsilicide(CoSi2).•Normallydepositedwithasputteringprocess•Cobaltsilicidegrainsize:~0.2μm•Can’tbeusedfor0.18umgate37JinchengZhangCobaltSilicide:Process„Pre-depositionargonsputteringclean„Cobaltsputteringdeposition„Firstanneal,600°CCo+Si→CoSi„StripUnreactedcobalt„Secondanneal,700°CCo+Si→CoSi238JinchengZhangVLSI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。39JinchengZhang40JinchengZhang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.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；3.降低成本（目前Cu互连最高已达10层）41JinchengZhang金属化总结„金属化主要应用:互连„CVD(W,TiN,Ti)和PVD(Al-Cu,Ti,TiN)„Al-Cu合金在互连材料中占有主要地位„Al-CuPVD需要超高真空„W作为接触孔和互连通孔的金属塞„Ti作为不同金属间的焊接层„TiN:阻挡层、黏附层和防反射涂层„未来:Cu代替Al-Cu，Ta/TaN代替Ti/TiN42JinchengZhangCMP（ChemicalMechanicalPolishing/planarization）--化学机械抛光„多层金属互连„介质层的平坦化„焦深要求平坦表面获得高分辨率„粗糙的介质表面会引起金属化问题43JinchengZhang钨CMP„W：形成金属塞„WCVD填充接触孔和通孔，覆盖整个圆片表面„需要从表面去除钨薄膜„以前：F基等离子体刻蚀„钨CMP替代刻蚀44JinchengZhang45JinchengZhangCMP的必要性„PhotolithographyresolutionR=K1λ/NA„Toimproveresolution,NA↑orλ↓„DOF=K2λ/2(NA)2,bothapproachestoimproveresolutionreduceDOF„DOFisabout2,083Åfor0.25μmand1,500Åfor0.18μmresolution.„HereweassumedK1=K2,λ=248nm(DUV),andNA=0.6„0.25μmpatternrequireroughness2000ńOnlyCMPcanachievethisplanarization46JinchengZhangMetalLineThinningDuetotheDielectricStep47JinchengZhangPlanarizedDielectricSurface,noMetalLineThinningEffect48JinchengZhangOverExposureandOverDevelopment49JinchengZhangApplicationsofCMP„Itusestwodielectricetchprocesses,–oneviaetchandonetrenchetch„Metallayersaredepositionin