半导体-第十五讲-互连

集成电路互连技术简介早期互连技术：铝互连目前应用最广泛的互连技术：铜互连下一代互联材料与互连技术：碳纳米管互连集成电路互连技术简介什么是集成电路互连技术？所谓的集成电路互连技术，就是将同一芯片内各个独立的元器件通过一定的方式，连接成具有一定功能的电路模块的技术。集成电路对互连金属材料的要求：具有较小的电阻率易于沉积和刻蚀具有良好的抗电迁移特性电迁移现象：金属化引线中的电迁移现象是一种在大电流密度作用下的质量输运现象。质量输运是沿电子流动方向进行的，结果在一个方向形成空洞，而在另一个方向则由于金属原子的堆积形成小丘。前者将使互连引线开路或断裂，而后者会造成光刻的困难和多层布线之间的短路。电迁移现象是集成电路制造中需要努力解决的一个问题。特别是当集成度增加，互连线条变窄时，这个问题更为突出。早期互连技术：铝互连铝互连的优点：铝在室温下的电阻率仅为2.7μΩ·cm；与n+和p+硅的欧姆接触电阻可以低至10E-6Ω/cm2；与硅和磷硅玻璃的附着性很好，易于沉积与刻蚀。由于上述优点，铝成为集成电路中最早使用的互连金属材料。ILD-4ILD-5ILD-6TopNitrideBondingpadMetal-5(Aluminum)Metal-4Via-4Metal-4isprecededbyothervias,interlayerdielectric,andmetallayers.Metal-3铝互连的不足（一）：Al/Si接触中的尖楔现象Al/Si接触时，由于Al在Si中的溶解度非常低，而Si在Al中的溶解度却非常高。由于这一物理现象，导致了集成电路Al/Si接触中一个重要的问题，那就是Al的尖楔问题。AlSiAl/Si接触中的尖楔现象尖楔现象所引发的问题：一般Al/Si接触中的尖楔长度可以达到1μm，而集成电路中有源区的厚度一般都在纳米级别。因此尖楔现象的存在可能使某些PN节失效。一种方法是在Al中掺入1-2%Si以满足溶解性另一种方法是利用扩散阻挡层(DiffusionBarrier)常用扩散阻挡层：TiN,TiW较好的方法是采用阻挡层,Ti或TiSi2有好的接触和黏附性,TiN可作为阻挡层解决尖楔现象所引发的问题Al/Si接触的改进Al-Si合金金属化引线在铝中加入硅饱和溶解度所需要的足量硅，形成Al-Si合金，避免硅向铝中扩散，从而杜绝尖楔现象。铝-掺杂多晶硅双层金属化结构掺杂多晶硅主要起隔离作用。铝-阻挡层结构在铝与硅之间淀积一薄层金属，阻止铝与硅之间的作用，从而限制Al尖楔问题。一般将这层金属称为阻挡层。采用新的互连金属材料解决Al/Si接触问题最有效的方法。铝互连的不足（二）：电迁移现象电迁移现象的本质是导体原子与通过该导体电子流之间存在相互作用，当一个铝金属粒子被激发处于晶体点阵电位分布的谷顶的时候，它将受到两个方向相反的作用力：（1）静电作用力，方向沿着电场（电流）的方向。（2）由于导电电子与金属原（离）子之间的碰撞引起的相互间的动量交换，我们称之为“电子风”作用力，方向沿着电子流的方向。金属为良导体时，静电作用力将减小，电子风作用力将起主要作用。改进电迁移的方法“竹状“结构的选择对于“竹状“结构的铝引线，与常规引线不同，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与许多”竹节“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体中类同。从而可以使金属互连线的MTF（MedianTimetoFailure）值提高两个量级。“竹状“结构常规结构Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金在铝中附加合金成分也可以改进铝电迁移。将金属化材料由Al变为Al-Si（1%-2%）-Cu（4%）合金，这些杂质在铝的晶粒间界的封凝可以降低铝原子在铝晶粒间界的扩散系数，从而可以使MTF值提高一个量级。但是Al-Si-Cu合金将使引线的电阻率增加。且不易刻蚀并易受氯气的腐蚀。三层夹心结构在两层铝膜之间增加一个约50nm的过渡金属层（如Ti）可以改善铝的电迁移。这种方法可以使MTF值提高2-3个量级，但工艺比较复杂。采用新的互连金属材料目前应用最广泛的互连技术：铜互连金属铜的电阻率小于2.0μΩ·cm，使用金属铜取代传统的金属铝，可以极大地降低互连线的电阻。较低的电阻率可以减小引线的宽度和厚度，从而减小分布电容，并能提高集成电路的密度。铜引线更大的优势表现在可靠性上，铜的抗电迁移性能好，没有应力迁移（在张应力作用下，细线内形成空隙）。在电路功耗密度不断增加、电迁移现象更加严重的情况下，铜取代铝作为互连材料，其重要性更为显著。IBM利用亚0.25μm技术制备的6层Cu互连表面结构的SEM图•虽然铜是一种非常有前途的金属互联材料，多年来人们也一直在研究如何在半导体生产中使用铜金属材料。特别是大马士革工艺的开发背景耐人寻味。一开始都想在铜刻蚀上取得突破，但无一例外地以失败而告终。正当人们为不同地结构和几乎要改变所有的设备的时候，大马士革工艺技术取得重大进展。1997年9月，IBM宣布了在生产线引入铜大马士革技术的消息。Motorola•紧接着在MOS工艺中应用铜技术，并于1999年3月开始批量供货。同一年，IBM在0.13μm的ASIC制造线上引入低介电常数材料，在有效沟道长度为0.08μm的器件上，获得了速度加快30%和功耗下降50%的优异成绩。•引入铜工艺技术，可以说是半导体制造业的一场革命。由此带来了设计、设备、工艺、材料、可靠性以及工艺线管理等方面的巨大变化。从技术层面上来说，涉及工艺线后段从光刻、等离子刻蚀、铜金属化、化学机械抛光、多层介质、清洗，直到工艺集成的所有模块。•随着设计的进一步缩小，金属布线层不断增加，随之而来的互联延迟也随之加大。•总之，铜金属互联、低介电常数材料、大马士革结构（Damascene）业已成为在深亚微米阶段前段工艺的又一新的标志，并将发展成为超大规模集成电路工业新的国际标准。铜金属互联线是降低互联延迟目的的主要途径•众所周知，R=ρl/wh•其中：•ρ：金属材料的电阻率•l：金属连线的长度•w：金属连线的宽度•h：金属连线的厚度•从上述表达式可以看出，采用低电阻率的金属材料作连线，可以降低总的互联电阻，进而达到降低互联延迟的目的•如何选择适合上述要求的金属材料，表1列出了常用的金属互联线材料的主要性能。从表中可以看出，Al是一种较好的导电材料，实际上Al已经用了好几十年，但是Al的致命弱点是抗电迁移性能差；Au的电阻率最高；Ag虽然具有最低的电阻率，但是，抗电迁移性可靠性方面表现较差。Cu在机械和电学特性两方面都有良好的表现；电阻率仅为Al的60%、熔点最高、热功耗低、抗电迁移性能好•（铜的激活能为0.8eV＞Al的激活能0.5eV)。表1几种常用互联金属材料特性•实际上，如何降低互联引起的延迟，答案决不是简单的一句话能解决的。初期用铜代替Al合金，特别是上层的较长连线和电源线部分。铜确实比Al的电阻小30%,而且抗电迁移性能好得多，也就是说，在集成度增加的情况下，铜能通过更大的电流密度，然而，横向金属连线之间的电容的减小，要用更薄的金属连线或者采用更复杂的工艺，例如在金属连线之间加低介电常数的材料。•在半导体工艺上引入了大马士革结构，有机地解决了光刻和刻蚀上存在的问题，物理汽相淀积（PVD）设备和工艺的不断完善，并成功应用于阻挡层（Barrier）和铜子晶（Cu-Seed）淀积，加上铜电镀的不断完善以及化学机械抛光（CMP）在铜工艺线的成功应用，使得铜正在逐步替代铝在半导体金属互联上的地位。据预测由于铜大马士革工艺简化了总的流程步骤，使总成本下降20%到30%以上，设备拥有成本也大幅度下降。铜电镀工艺技术•电镀工艺早以应用于电子工业，但真正能在铜金属布线工艺中得以推广还是近几年的事情，铜电镀的重要优点是：•（1）淀积条件易于控制；•（2）淀积速度较快，可以＞350nm/min；•（3）与低介电常数介质材料有良好兼容性，因为铜电镀是在低温（通常为室温）、常压的条件下进行。•一般的铜电镀设备由正极（铜材）和负极（表面淀积有一层铜子晶的硅片）组成。电镀液主要是CuSO4，H2SO4，Cl-1和添加剂，在负极的化学反应式为：•Cu2+2e→Cu铜电镀槽示意图•铜电镀工艺很容易出现空洞（&;2=），特别是孔或金属槽的底部、侧壁和上部。主要因素有电镀化学试剂成份、外加电场的波形、电流、孔和槽的形状以及PVD淀积铜子晶的质量。通常，侧壁和底部的空洞是由于铜子晶覆盖不完整造成的。•另外一种现象是电镀铜在通孔/金属槽还没有填满之前，上部已经封口子夹断（Pinch-off），造成中间空洞。•除了要求PVD淀积阻挡层和铜子晶的台阶覆盖性好，连续之外，铜电镀工艺本身也在做不断的改进。主要有两方面：一是添加其他有机物添加剂；二是采用外加电场并对电流波形进行调制。•电镀酸溶液中加入有机物添加剂，可以选择性地提高CD比较大的图形的铜淀积速率，一般的解释是由于有机物添加剂含有大量的催化剂和抑制剂，以降低顶部的淀积速率、提高孔和金属槽底部的淀积速率。•在正、负电极之间加波形电场，有两种方式，一是加脉冲波形，另一种是加多级直流电场。一种3参数2级直流电场示意图•正电场时加快图形底部扩散层的置换，最终达到消除空洞的目的。负电场明显改进图形侧壁的平均淀积速率，其产生的铜离子梯度分布加快底部的淀积速度。人们研究发现脉冲电场与低的正向电流相结合，可以显著改进电镀铜在孔颈部位的夹断现象，从而减小中间空洞。•铜金属互联技术除了以上所述的微细加工、铜阻挡层、子晶层、铜电镀以外，还有很重要的铜退火和铜化学机械抛光（CMP），这些工序对铜互联线的质量也至关重要。从可靠性的角度来看，铜阻挡层、子晶的连续性、电镀铜的无孔性、铜晶粒的大小、退火的条件（温度、时间、气氛）以及铜CMP的质量，都影响到铜金属布线的电迁移水平。许多半导体生产厂家为了把铜引入生产线，为解决器件性能和可靠性作了大量的探索•铜电镀层的质量对后续工序有很大的影响，特别是片间、片内、芯片内非均匀性容易造成后续的铜CMP工艺中凹陷（dishing,在图形低密度区域）和侵蚀（erosion，图形高密度区），许多半导体生产厂家采用铜膜厚总偏差来控制铜电镀层的质量。•随着半导体器件特征尺寸的不断缩小，人们将不得不面临新的、更多的挑战。如此同时，新设计、新工艺、新设备、新材料和新的检测手段将不断推出，可以预料铜工艺技术将会得到进一步的发展。以Cu作为互连材料的工艺流程因为在很多方面Cu的性质与铝不同。所以不能用传统的以铝作为互连材料的布线工艺。对以Cu作为互连的工艺来说，目前被人们看好并被普遍采用的技术方案是所谓的DaulDamascene（双镶嵌）工艺。其主要特点是对任何一层进行互连材料淀积的同时，也对该层与下层之间的Via进行填充，而CMP平整化工艺只对导电金属层材料进行，因此，与传统的互连工艺相比，工艺步骤得到简化，相应的工艺成本得到降低，这是铜互连工艺技术所带来的另一优点。以Cu作为互连材料的工艺流程淀积刻蚀停止层淀积介质材料光刻引线沟槽图形刻蚀引线沟槽去掉光刻胶光刻通孔图形刻蚀通孔去掉光刻胶去掉刻蚀停止层溅射势垒和籽晶层金属填充通孔CMP金属层37IC互连金属化引入铜的优点1.电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小可以减少信号的延迟，增加芯片速度。2.功耗的减少：减小了电阻，降低了功耗。3.更高的集成密度：更窄的线宽，允许更高密度的电路集成，这意味着需要更少的金属层。4.良好的抗电迁移性能：铜不需要考虑电迁徒问题。5.更少的工艺步骤：用大马士革方法处理铜具有减少工艺步骤20％to30%的潜力。Cu互连面临的挑战目前IC芯片内的互连线主要是铜材料，与原来的铝互连线相比，铜在电导率和电流密度方面有了很大的改进。但是，随着芯片内部器件密度越来越大，要求互连线的线宽越来越小，铜互连的主导地位也面临着严峻的考验。当芯片发展到一定尺寸，在芯片内以铜作为互连线就会遇到一系列问题。Cu互连面临的挑战由于Via相对尺寸