第九章 金属化与多层互连

第九章金属化与多层互连金属及金属性材料在集成电路技术中的应用被称为金属化。按其在集成电路中的功能划分，金属材料可分为三大类：MOSFET栅电极材料：早期nMOS集成电路工艺中使用较多的是铝栅，目前CMOS集成电路工艺技术中最常用的是多晶硅栅。互连材料：将芯片内的各独立元器件连接成具有一定功能的电路模块。铝是广泛使用的互连金属材料，目前在ULSI中，铜互连金属材料得到了越来越广泛的运用。接触材料：直接与半导体接触，并提供与外部相连的连接点。铝是一种常用的接触材料，但目前应用较广泛的接触材料是硅化物，如铂硅(PtSi)和钴硅(CoSi2)等。集成电路中使用的金属材料，除了常用的金属如Al，Cu，Pt，W等以外，还包括重掺杂多晶硅、金属硅化物、金属合金等金属性材料。9.1、集成电路对金属化材料特性的要求与n+，p+硅或多晶硅能够形成欧姆接触，接触电阻小；长时期在较高电流密度负荷下，抗电迁移性能要好；与绝缘体（如SiO2）有良好的附着性；耐腐蚀；易于淀积和刻蚀；易于键合，而且键合点能经受长期工作；多层互连要求层与层之间绝缘性好，不互相渗透和扩散。9.1.1、晶格结构和外延生长特性的要求金属材料特性与其晶格结构有关，集成电路中金属薄膜：外延生长单晶膜具有最理想的特性。采用外延生长可以消除缺陷，晶体结构好，提高金属薄膜的性能，降低电阻率和电迁移率，得到良好的金属/半导体接触或金属/绝缘体接触界面。9.1.2、电学特性金属材料在集成电路中应用时，须考虑的电学性能主要包括电阻率、电阻率的温度系数(TCR)、功函数、与半导体接触的肖特基势垒高度。对于接触材料和栅电极材料，其功函数、与半导体材料的肖特基势垒高度和接触电阻是非常重要的参数。9.1.3、机械特性、热力学特性以及化学反应特性多层薄膜体系中通常有应力存在，如图所示，(a)存在张应力，(b)存在压应力。通常总的应力σ可以分为固有应力σi，和热应力σth两部分，即σ=σi+σth。固有应力主要由薄膜的淀积条件决定，通过优化生长过程可以减小。热应力可由下式计算：Ef杨氏模量，Vf泊松系数，αF与αS为薄膜和衬底的热膨胀系数，T1为工作时温度，T2为生长(或退火)温度。可见减小热应力，最重要的是选择热膨胀系数相近的材料。121TTVESFffth应力的存在对互连体系可靠性产生严重影响，应力可导致互连线出现空洞，互连材料的电迁移也与应力的存在有关。多层薄膜体系的应力可以通过淀积生长适当的覆盖层来减弱，若第一层薄膜受张应力，当覆盖层为受压应力时，经过退火后应力转移，主要集中在覆盖层，而原有薄膜所受应力减小。选择合适的覆盖层对减小薄膜中的应力非常重要。除了应力之外，金属材料在半导体材料中的扩散、材料的热力学特性以及化学反应特性在互连材料的选取以及结构设计时都是必须考虑的问题。铝是一种经常被采用的金属互连材料，主要优点是:在室温下的电阻率仅为2.7μΩ·cm；与n+、p+硅或多晶硅的欧姆接触电阻可低至10-6Ω/cm2；与硅和磷硅玻璃的附着性很好；经过短时间热处理后，与SiO2、Si3N4等绝缘层的黏附性很好；易于淀积和刻蚀。9.2、铝在集成电路技术中的应用铝应用于集成电路中的互连引线，主要是采用溅射方法制备，淀积速率快、厚度均匀、台阶覆盖能力强。9.2.1、金属铝膜的制备方法9.2.2、Al/Si接触中的几个物理现象(1)Si在Al中的扩散Si在Al中的溶解度比较高，在Al与Si接触处，在退火过程中，会有大量的Si原子溶到Al中。溶解量不仅与退火温度下的溶解度有关，还与Si在Al中的扩散情况有关。在400-500℃退火温度范围内，Si在Al薄膜中的扩散系数比在晶体Al中大40倍。这是因为Al薄膜通常为多晶，杂质在晶界的扩散系数远大于在晶粒内的扩散系数。(2)Al与SiO2的反应Al与SiO2反应对于Al在集成电路中的应用十分重要：Al与Si接触时，可以“吃”掉Si表面的自然氧化层，使Al/Si的欧姆接触电阻降低；Al与SiO2的作用改善了集成电路中Al引线与下面SiO2的黏附性。3222343OAlSiAlSiO9.2.3、Al/Si接触中的尖楔现象宽度为w，厚度为d的铝引线，与硅接触的接触孔面积为A，如图所示。尖楔现象：由于硅在铝中的溶解度较大，在Al/Si接触中，Si在Al膜的晶粒间界中快速扩散离开接触孔的同时，Al也会向接触孔内运动、填充因Si离开而留下的空间。如果Si在接触孔内不是均匀消耗，Al就会在某些接触点，像尖钉一样楔进Si衬底中去，如果尖楔深度大于结深，就会使pn结失效，这种现象就是Al/Si接触中的尖楔现象。若退火时间为t，则Si在Al中的扩散距离为(Dt)1/2，假设Si在Al中是饱和的，则消耗的硅体积V为式中nAl和nSi分别为铝和硅的密度，S是Si在A1中的溶解度(重量百分数)。假如Si在接触孔面积A内是均匀消耗的，那么消耗掉的硅层厚度：例如，当退火温度T＝500℃时，退火时间t＝30min，接触孔面积A＝44m2，线条宽度w=5m，厚度d＝1m，则消耗掉的硅层厚度Z=0.3m，相当于超大规模集成电路中的结深，因而有可能使pn结短路。实际上，硅在接触孔内并不是均匀消耗的，而是只通过几个点消耗Si，有效面积A′远小于接触孔面积A，所以Z将远大于均匀消耗的深度，Al就像尖钉一样楔进Si衬底中，从而使pn结短路。实际的“尖楔”深度往往可以超过1μm。SiAlnnSdwDtV2SiAlnnSAdwDtZ2影响尖楔深度和形状的因素1.Al-Si界面的氧化层厚度如果氧化层厚度比较薄，由于Al膜可以“吃”掉薄的SiO2，使Al/Si作用面积较大，尖楔深度比较浅。如果氧化层厚度比较厚，Al/Si作用面只限于几个点，尖楔深度较深。2.衬底晶向对尖楔的形貌有影响双极集成电路采用(111)硅衬底，由于(111)面原子面密度大，面间距大，尖楔倾向于横向扩展。MOS集成电路采用(100)硅衬底，尖楔倾向于垂直扩展，更容易使pn结短路。9.2.4、Al/Si接触中的改进析出Si逐步增大成为结瘤，大电流通过互连引线时，结瘤处发生明显升温，甚至导致互连引线失效。析出的Si原子是p型重掺杂(Al是硅的受主杂质)，如果是在n型硅与金属之间制作欧姆接触，就等于在Al和n型硅之间增加一个p+-n结，使欧姆接触电阻增大，而对于肖特基结的情况，则将增加其有效的势垒高度。Si在Al-Si表面上的析出淀积，将使引线键合变得困难。1、Al-Si合金金属化引线为了解决Al的尖楔问题，在纯Al中加入硅至饱和，形成Al-Si合金，代替纯Al作为接触和互连材料。一般为1wt%。但是，在较高合金退火温度时溶解在Al中的硅，冷却过程中又从Al中析出。硅从Al-Si合金薄膜中析出是Al-Si合金在集成电路中应用的主要限制:2、铝-掺杂多晶硅双层金属化结构在SiO2衬底上淀积未掺杂多晶硅，接着淀积铝膜，腐蚀掉铝膜后，SiO2衬底上出现一个个分离的大晶粒，原来连续的多晶硅薄膜不复存在。当Al与多晶硅接触时，在退火过程中，多晶硅晶界处硅原子自由能比较高，因而晶界处硅原子将向晶粒上的铝膜运输，并在那儿析出淀积，形成多晶硅重组现象。由于Al-Si合金存在Si析出的问题，Al/Si接触还可以采用铝-掺杂多晶硅双层金属化结构。多晶硅重组现象对于Al和重磷或重砷掺杂的多晶硅接触，这种重组现象不存在。可能是因为杂质磷(砷)在多晶硅晶粒间界分凝，使晶粒间界硅原子的自由能减小，降低了这些硅原子在铝中的溶解度。因此可以在淀积铝薄膜之前，先淀积一层重磷或重砷掺杂的多晶硅薄膜，构成Al-重磷(砷)掺杂多晶硅双层金属化结构。Al-掺杂多晶硅双层金属化结构已成功地应用于nMOS工艺中。铝-掺杂多晶硅双层金属化结构3、铝-阻挡层结构在铝与硅之间淀积一个薄金属层，替代重磷掺杂多晶硅层，阻止铝与硅之间的作用，从而抑制Al尖楔现象。这层金属称为阻挡层。为了形成好的欧姆接触，一般采用双层结构，硅化物作为欧姆接触，TiN、TaN或WN作为阻挡层。如图所示，TiN阻挡层可显著地减小漏电流。TiN，TaN和WN这些氮化物可以在氮气氛中通过反应溅射淀积，也可以先淀积Ti金属，之后在氮气氛中进行快速热退火来形成。对于深亚微米器件来说，接触孔的面积很小，深宽比大，可用CVD方法淀积。电迁移现象：随着芯片集成度的提高，互连引线变得更窄、更薄，电流密度越来越大。在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就是电迁移。1、电迁移现象的物理机制电子风力：当互连引线中的电流密度较高时，静电场力Fei驱动电子由阴极向阳极运动。高速运动的电子与金属原子发生动量交换，原子受到猛烈的电子冲击力，这就是电迁移理论中的电子风力Fwd。同时，金属原子还受静电场力Fei的作用。当互连引线中的电流密度较高时，电子风力Fwd大于静电场力Fei，金属原子受到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的定向扩散，即发生了金属原子的电迁移。在相反方向将有质量耗尽，产生空位的聚合。9.2.5、电迁移现象及其改进方法三叉点：在三个晶粒交界处，此时电子风推动原子从一条边界流入，从另外两条边界流出。这个过程造成了质量的流失，形成了空洞。当电流反向流动时，就产生了质量堆积，形成小丘。因此，“三叉点”数量的减少会使引线发生电迁移的可能性下降。电迁移现象的结果：在一个方向形成空洞，使互连引线断裂开路，而在另一个方向则由于铝原子的堆积而形成小丘，造成光刻的困难和多层布线之间短路，从而使整个集成电路失效。金属原子在薄膜中的输运过程是扩散过程，主要是沿晶界进行的。2、中值失效时间MTF常用电迁移中值失效时间（MTF）来描述电迁移引起的失效。中值失效时间：同样的直流电流试验条件下，50％的互连引线失效所用的时间。失效判据为引线电阻增加100％。中值失效时间正比于引线截面积A＝dw，因为它决定了造成引线断开的最小空洞尺寸；反比于质量输运率，即质量输运率越低，中值失效时间应当越长。3、改进电迁移的方法“竹状”结构的铝引线与通常Al引线结构不同，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有许多“竹结”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中类同，从而可使MTF值提高二个数量级。(1)结构的影响和“竹状”结构的选择多晶铝引线的电迁移现象随晶粒尺寸增大而减弱，MTF增大。此外，还与铝薄膜的择优取向有关，电子束蒸发铝薄膜择优取向为111晶向，它的MTF值比溅射的铝薄膜大2-3倍。在铝中附加合金成份，最常用的是Cu。使金属化材料由纯Al变为Al-Si(1-2％)-Cu(4％)合金，这些杂质在铝的晶粒间界分凝可以降低铝原子在铝晶粒间界的扩散系数，可以使MTF值提高一个量级。但缺点是使引线的电阻率增加、Al-Si-Cu合金不易刻蚀、且易受Cl2腐蚀。(3)三层夹心结构在两层铝薄膜之间增加一个约500Å的过渡金属层。经过退火，在两层铝之间将形成金属化合物，它们是很好的铝扩散阻挡层，可以防止空洞穿透整个铝金属化引线；同时在铝晶粒间界也会形成化合物，降低铝原子在铝晶粒间界中的扩散系数，从而减少了铝原子的迁移率，防止空洞和小丘的形成。这种方法可以使MTF值提高2-3量级，但是工艺比较复杂。(4)改进电迁移的另一种有效方法是采用新的互连金属材料，如Cu。(2)Al-Cu合金或Al-Si-Cu合金9.3、铜及低K介质随着集成电路的不断发展，降低互连线延迟时间成为集成电路发展的重要内容之一。9.3.1、互连引线的延迟时间采用RC常数来表征互连引线的延迟时间，R引线电阻，C互连系统电容。R与互连材料电阻率ρ、长度l和截面积wtm有关：w为引线的宽度，tm为引线的厚度，电容C与互连引线的几何尺寸及介质层的介电常数ε和厚度tox有关：互连引线的RC常数为：mwtlρRoxtwlεCoxmttlRC2金属铜的电阻率小于2