硅集成电路工艺——金属化与多层互连

天津工业大学Chap.9金属化与多层互连IC中金属的作用及分类1铝在集成电路技术中的应用23大规模集成电路与多层互连工艺45铜及其他金属在IC中的应用多晶硅及硅化物在IC中的应用天津工业大学IC中金属的分类IC中的金属MOSFET栅电极材料（重掺杂多晶硅）互连材料（常用金属及金属合金）接触材料（金属硅化物）金属化：金属及金属性材料在集成电路技术中的应用天津工业大学IC中的金属天津工业大学IC中的金属天津工业大学§9.1集成电路对金属化材料的要求与n+，p+硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触，能提供低阻互连引线，以提高电路速度长时期在较高电流密度负荷下，抗电迁移能力要好与绝缘体有良好的附着性耐腐蚀易于淀积和刻蚀易于键合，且键合点能经受长期工作多层互连要求层间绝缘性要好，不互相渗透和扩散天津工业大学晶格结构和外延生长特性的影响一般为单晶或多晶晶格常数失配因子决定着接触特性外延生长可有效减少缺陷，得到接触良好的异质外延金属薄膜电学特性电阻率电阻温度系数功函数与半导体接触的肖特基势垒高度机械、热力学以及化学反应特性固有应力和热应力扩散稳定性天津工业大学§9.2铝在IC中的应用铝作为互连金属材料的优点：应用最广泛的互联材料电阻率低，2.7uΩ•cm与n+和p+硅或多晶硅的欧姆接触电阻低，10－6Ω/cm2与硅和磷硅玻璃的附着性很好易于淀积和刻蚀铝作为互连金属材料的缺点：Al/Si接触的尖楔现象在较大的电流密度下的电迁移现象金属铝膜的制备方法真空蒸发法（电阻加热、电子束加热）溅射法（台阶覆盖性能好）CVD法（填缝能力强）天津工业大学Al/Si接触中的几个物理现象Al-Si相图：Al在Si中的溶解度非常低，而Si在Al中的溶解度却比较高，因而硅会向铝中迁移Si在Al中的扩散系数：Si在Al膜内的扩散系数远大于在晶体铝内的扩散系数，扩散距离远，单位面积消耗大Al与SiO2的反应：3SiO2+4Al3Si+2Al2O3消耗掉表面氧化膜，增加黏附性天津工业大学Al/Si接触中的尖楔现象Al/Si接触中的尖楔现象硅向铝中扩散，同时铝也向硅中扩散，形成尖楔，可能会造成pn结失效SiAlnnsdwDtV/)(2(Dt)1/2SiSiO2AlSiZSiAlnnsAdwDtZ/)(2天津工业大学Al/Si接触的改进Al-Si合金金属化引线（铝中加入1%~4%的硅，同时存在硅的分凝问题）铝－掺杂多晶硅双层金属化结构（多晶硅提供溶解于铝中而消耗的硅）铝－阻挡层结构（PtSi,CoSi作为欧姆接触层，TiN,TaN作为阻挡层）减小铝的体积（Al/阻挡层/Al-Si-Cu三层夹心结构）降低硅在铝中的扩散系数（铝中掺氧或Al2O3）天津工业大学电迁移现象及其改进方法电迁移现象的物理机制：大电流密度通过导体时，导体原子将收到导电电子的碰撞，从而导致导体原子沿电子流的方向迁移。结果在一个方向上形成空洞，而在另一个方向则由于铝原子的堆积而形成小丘，从而会造成断路和短路失效现象。SiO2Al电电电电电电电电电电电电电电电电天津工业大学改进电迁移的方法结构的影响和竹状结构的选择（使铝的晶粒间界方向垂直于电流方向）Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金（杂质在铝的晶粒间界的分凝可降低铝的迁移）三层夹心结构（中间加入过渡金属层，形成金属化合物，阻挡铝的扩散）中值失效时间（MTF）)/exp(2kTCJAMTF与电流密度平方成反比，与温度倒数成指数关系；与横截面积成正比，与激活能成指数关系天津工业大学铝的制备方法PVD：溅射、蒸发表面无化学反应较差的台阶覆盖和填缝性能（～15％）高质量，高纯度的淀积薄膜，电导率较高容易淀积合金CVD：Al(CH3)2HLPCVD表面有化学反应更好的台阶覆盖和填缝性能（50％～100％）淀积薄膜纯度较差，电导率较低不容易淀积合金天津工业大学§9.3铜在IC中的应用Cu作为互连材料的优点：更低的电阻率：1.7uΩ•cm，减小引线的宽度和厚度，减小分布电容，降低了功耗并提高集成电路的密度降低了互连引线的延迟，提高器件速度抗电迁移性能好，可靠性高没有尖楔现象Cu作为互连材料的缺点：缺乏有效的刻蚀金属铜的手段铜在硅和二氧化硅中的扩散系数大，容易造成金属污染铜与二氧化硅的黏附性较差天津工业大学互连引线的延迟时间：RC常数：R=(ρl)/(ωtm)C=(εωl)/toxRC=(ρεl2)/(tmtox)Cu作为互连材料的工艺流程：——DualDamascene双大马士革工艺天津工业大学双大马士革（DualDamascene）工艺流程预清洗刻蚀沟槽或通孔PVD淀积阻挡层（Ta或者TaN）PVD或者CVD淀积铜籽晶层电化学镀制备铜体相层，填满通孔或沟槽热退火提高电导率CMP去除沟槽或通孔之外的铜天津工业大学双大马士革（DualDamascene）工艺流程天津工业大学电镀铜（ElectrochemicalPlating，ECP）电镀过程中铜离子对已淀积铜表面的轰击，形成一种淀积/刻蚀/淀积的过程，提高其台阶覆盖和沟槽填充能力天津工业大学其他IC中常用的金属Ti（Titanium）钛Ti作为接触层，能有效去除氧，避免形成铝或钨的氧化物，降低接触电阻；TiSi2作为最常用的接触材料，常采用Ti的硅化物自对准工艺；TiN能作为扩散阻挡层，有效防止铝或钨向衬底扩散，还可以作为粘附层，提高钨与SiO2的粘附能力；TiN可作为抗反射涂层（ARC），减少金属层在光刻工艺中的对光的反射。天津工业大学天津工业大学W（Tungsten）钨一般采用WF6作为反应剂，用CVD的方法制备作为填充接触孔和通孔的钨塞（plug）接触孔越来越小且窄，需要更强的填充能力PVDAl：台阶覆盖差，形成空洞CVDW：优异的台阶覆盖及填缝能力电阻率较高（1.7uΩ•cm），只能用于局部互连及填孔天津工业大学天津工业大学天津工业大学§9.4多晶硅及硅化物多晶硅作为栅极材料的优点：能承受高温工艺，能实现源漏自对准工艺可方便调节功函数，降低开启电压多晶硅作为互连材料的局限：过高的电阻率，只适合局部互连天津工业大学金属硅化物的特点和制备方法难熔金属硅化物的特点：低的、类金属的电阻率高温稳定性好抗电迁移能力强与硅衬底接触电阻小，附着性好（TiSi2,WSi2,CoSi2）主要作为接触材料，也可作为栅极和互连材料硅化物的淀积方法：共溅射方法共蒸发方法溅射或蒸发单层难熔金属于多晶硅衬底上再退火，发生反应生成硅化物合金靶溅射CVD淀积硅化物天津工业大学自对准TiSi2工艺去除表面自然氧化物，淀积金属Ti或Co退火，Ti与硅发生反应生成TiSi2湿法刻蚀去掉未反应的Ti天津工业大学§9.5大规模集成电路与多层互连多层金属互连对ULSI的意义：可大大提高ULSI的集成密度，进一步提高集成度可降低互连引线导致的延迟时间，原因有五点：RC=(ρεl2)/(tmtox)天津工业大学多层互连工艺流程多层互连的基本结构:金属层PMDIMD接触孔(contacts)通孔(Via)天津工业大学多层互连工艺流程器件制备介质淀积平坦化接触及通孔形成金属化是否最后一层生长钝化层结束是否天津工业大学多层互连工艺流程刻蚀接触孔（Contact）淀积钨天津工业大学形成钨塞及淀积铝刻蚀铝天津工业大学层间介质（IMD）淀积刻蚀通孔（Via）天津工业大学形成第二层钨塞及淀积铝刻蚀铝天津工业大学淀积IMD2刻蚀Via2天津工业大学淀积Metal3淀积IMD3天津工业大学天津工业大学非平坦表面的形成淀积介质后热回流之后天津工业大学不同处理方法之后的表面天津工业大学非平坦表面的影响天津工业大学化学机械抛光（CMP）工艺主要用于多层金属互连工艺化学腐蚀和机械磨蚀共同作用平坦化介质层曝光需要在平坦的表面来进行以提高分辨率粗糙的表面在金属化工艺中会影响金属层的质量也用来对某些金属进行去除（钨等）天津工业大学CMOSIC中的CMP应用天津工业大学CMP工艺设备抛光液抛光盘抛光头天津工业大学抛光过程天津工业大学抛光盘多孔的柔韧的聚合物基体抛光盘直接影响抛光质量粗磨盘有更高的抛光速率但是易造成划伤细磨盘能得到更光滑的表面抛光盘能吸收抛光液从而改变其机械特性抛光盘不断在磨蚀，因此需定期更换粗磨盘细磨盘天津工业大学抛光头天津工业大学抛光液CMP抛光液的作用类似于牙膏其中的化学成分对硅片表面进行腐蚀，生成容易被磨去的化合物其中的研磨颗粒对硅片表面进行机械研磨，去除表面材料（～10％固体含量）对于不同的材料需采用不同的抛光液CMP氧化物：碱性溶液＋SiO2CMP金属：酸性溶液＋Ai2O3天津工业大学小结掌握IC中金属性材料的分类和作用掌握铝在IC中的应用（优、缺点）掌握铜在IC中的应用（优、缺点，双大马士革工艺）了解Ti，W等金属在IC中的应用了解多晶硅的作用及其优势掌握金属硅化物在IC中的应用（自对准硅化物工艺）理解ULSI中采用多层互连工艺的意义了解多层互连工艺流程（流程图、基本结构）了解IC中的CMP平坦化工艺