2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体中铝的电迁移

半导体中铝的电迁移2半导体中铝的电迁移

•当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移，这种现象称为金属电迁移

•后果：

电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空位的积聚而形成空洞，导致电路开路

3解决方法：采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜2～4％）合金。铜原子在多晶状Al的晶粒边界处分凝，阻止Al原子沿晶粒边界的运动。优化版图设计，降低电流密度。44Al+3SiO2

2Al2O3+3Si

会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间的短路失效。5合金化合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金铝铝铜合金铜硅化物金属填充塞阻挡层金属6硅和硅片制造业中所选择的金属(at20°C)7由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒，在金属表面金属原子堆起来形成小丘（如图所示）如果大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在一起。当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会被显著的改善。Al-Si-Cu(0.5%)合金是最常使用的连线金属铝铜合金8由于ULSI组件密度的增加，互连电阻和寄生电容也会随之增加，从而降低了信号的传播速度。减小互连电阻可通过用铜取代铝作为基本的导电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要低K值层间介质（ILD）。通过降低介电常数来减少寄生电容。9IC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。

10对铜的挑战

与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互连主要涉及三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝技术，在铜应用与IC互连之前必须解决：1. 铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有源区，将会损坏器件。2.

应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图形。干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产生挥发性的副产物，而这对于经济的干法刻蚀是必不可少的。3.

低温下（＜200℃）空气中，铜很快被氧化，而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。

11阻挡层金属铜

铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将破坏器件的性能。可淀积一层阻挡层金属，作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚度对0.25µm工艺来说为100nm；对0.35µm工艺来说为400～600nm。铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层封闭薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。12钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽（Ta）、氮化钽和钽化硅都是阻挡层金属的待选材料，阻挡层厚度必须很薄（约75埃），以致它不影响具有高深宽比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色。铜钽13可接受的阻挡层金属的基本特征：1. 有很好的阻挡扩散作用；2. 高导电率具有很低的欧姆接触电阻；3. 在半导体和金属之间有很好的附着；4. 抗电迁移5. 在很薄的并且高温下具有很好的稳定性；6.