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1、集成电路制造技术第九章 金属化与多层互连,第九章 金属化与多层互连,金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。 金属化材料分类：（按功能划分） MOSFET栅电极材料 MOSFET器件的组成部分； 互连材料 将各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模块。 接触材料 直接与半导体材料接触的材料， 以及提供与外部相连的接触点。,互连材料Interconnection,互连在金属化工艺中占有主要地位 Al-Cu合金最为常用 W塞（80s和90s） Ti：焊接层 TiN：阻挡、黏附层 未来互连金属Cu,CMOS标准金属化,TiN的作用,TiN：阻挡层，防止W扩散 TiN：粘合层，帮助W与SiO2表面粘
2、合在一起 TiN：防反射涂层ARC（Anti-reflection coating），防止反射提高光刻分辨率,第九章 金属化与多层互连,常用金属材料： Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等 常用的金属性材料： 掺杂的poly-Si； 金属硅化物-PtSi、CoSi2、WSi2； 金属合金-AlSi、AuCu、CuPt、 TiB2 、 SiGe 、 ZrB2 、 TiC、MoC、TiN。,9.1 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。,
3、9.2 Al的应用,电阻率：Al为2.7/cm， （Au2.2 /cm，Ag1.6 /cm， Cu 1.7/cm） Al合金为3.5 /cm； 溶解度：Al在Si中很低， Si在Al中相对较高，如 400时，0.25wt%； 450时，0.5wt%； 500时，0.8wt%； Al-Si合金退火：相当可观的Si 溶解到Al中。,9.2.2 Al/Si接触的物理现象,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： 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与SiO2反应：3SiO2+4Al3Si+2Al2O3 好处：降低Al/Si欧姆接
4、触电阻； 改善Al与SiO2的粘附性。,9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象,图9.3 Al-Si接触引线工艺 T=500，t=30min.， A=16m2，W=5m， d=1m，消耗Si层厚度 Z=0.35m。 （相当于VLSI的结深） Si非均匀消耗， 实际上，A*Z，故 Al形成尖楔,尖楔现象,机理：Si在Al中的溶解度及快速扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬底； 深度：超过1m； 特点： 衬底：横向扩展 衬底：纵向扩展 MOS器件突出。 改善：Al中加1wt-4wt的过量Si。,9.2.5 电迁移现象及改进,电迁移：大电流密度下，导电电子与铝金属离子发生动量 交换，使金属离子沿电子流方向
5、迁移。 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。,改进电迁移的方法 a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。 b.Al-Cu/Al-Si-Cu合金： Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界的扩散系数。 c.三层夹心结构：两层Al之间加一层约500的金属过渡层，如 Ti、Hf、Cr、Ta。 d.新的互连线：Cu,9.3 Cu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,9.3 Cu及低K介质,如何降低： RC常数：表征互连线延迟，即 。 -互连线电阻率，l-互连线长度，-介质层介电常数 低的互连线：
6、Cu，=1.72cm； （Al，=2.82cm） 低K （）的介质材料： 3.5,Cu互连工艺的关键,Cu的淀积：不能采用传统的Al互连布线工艺。 （没有适合Cu的传统刻蚀工艺） 低K介质材料的选取与淀积：与Cu的兼容性， 工艺兼容性，高纯度的淀积，可靠性。 势垒层材料的选取和淀积：防止Cu扩散； CMP和刻蚀的停止层。 Cu的CMP平整化 大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺 低K介质和Cu互连的可靠性,9.3.2 Cu互连工艺流程,9.3.5 Cu的淀积,主要问题：缺乏刻蚀Cu的合适的传统工艺。 解决：大马士革镶嵌工艺工艺流程： 在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽； CVD淀积一层薄的金属
7、势垒层：防止Cu的扩散； 溅射淀积Cu的籽晶层：电镀或化学镀Cu需要； 沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀； 400下退火； Cu的CMP。,铜金属化（Copper Metallization）,9.4 多晶硅及硅化物,多晶硅：CMOS多晶硅栅、局域互连线； 9.4.1 多晶硅栅技术 特点：源、漏自对准 CMOS工艺流程（图9.12）,多晶硅栅取代Al栅： p沟道MOS器件的VT降低1.2-1.4V； （通过降低MS） VT降低提高了器件性能： 工作频率提高；功耗降低；集成度提高； 多晶硅栅的优点：实现自对准的源漏；降低VT,互连延迟时间常数: RC=RL2 ox/tox R、 l- -互连线方
8、块电阻和长度， ox、tox-介质层的介电常数和厚度； 局限性：电阻率过高，只能作局部互连；,9.4.1 多晶硅栅技术,9.4.3 多晶硅互连及其局限性,互连引线面积与各种互连延迟,9.5 VLSI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。,9.5.1 多层互连对VLSI的意义,1.提高集成度； 2.降低互连延迟： 3. 降低成本 （目前Cu互连最高已达10层）,平坦化的必要性,9.5.4 平坦化,9.5.4 平坦化,台阶的存在：如， 引线孔、通孔边缘； 影响：薄膜的覆盖效果； 改善： 改进薄膜淀积的工艺： 行星旋转式真空蒸发装置； 溅射替代蒸发； PSG、BPSG回流； 平坦化工艺,BPSG回流工艺,牺牲层工艺：等离子刻蚀工艺，局域完全平坦化,9.5.5 CMP工艺,CMP：chemical mechanical planarization化学机械平面化 或 chemical-mechanical polishing 化学机械抛光,9.5.5 CMP工艺,CMP的基本构成： 磨盘：聚亚胺酯薄片 磨料： a.反应剂：氧化剂； b.摩擦剂：SiO2 CMP的基本机理： 金属被氧化，形成氧化物； SiO2磨掉氧化物。,