第九章 后端工艺ppt课件.ppt

第九章后端工艺,第九章后端工艺BACKENDTECHNOLOGY,9.1引言9.2接触9.3互连和通孔9.4介质,1,第九章后端工艺,Backendtechnology:fabricationofinterconnectsandthedielectricsthatelectricallyandphysicallyseparatethem.,后端工艺技术:互连和介质,2,第九章后端工艺,早期的IC结构较现在的要简单的多,多层金属互连增加了电路功能并使速度加快,Localinterconnects(polysilicon,silicides,TiN)versusglobalinterconnects(usuallyAl).,3,第九章后端工艺,Backendprocessingisbecomingmoreimportant.Largerfractionoftotalstructureandprocessing.Startingtodominatetotalspeedofcircuit.,4,第九章后端工艺,Intel奔腾IIIMerced（1999）6层金属互连，0.18m工艺，集成晶体管数2500万个，连线总长度达5km,5,第九章后端工艺,电路特征尺寸不断缩小芯片引线数急剧增加芯片内部连线长度迅速上升金属布线层数不断增加,6,第九章后端工艺,互连以及门的延迟和芯片面积的关系,电路特征尺寸不断缩小,芯片面积变大均使互连线延迟时间增加,7,第九章后端工艺,随着集成电路特征长度不断减少互连延迟超过了器件门延迟,8,第九章后端工艺,9,第九章后端工艺,可以简单估计互连引起的延迟时间,由于多层布线引起的延迟(上升时间)可估计为:,这里Kox是氧化层的介电常数,KI和边缘场有关,是互连线的电阻率,R是传输线的电阻，C是与传输线相关连的所有电容之和,10,第九章后端工艺,对IC金属化系统的主要要求,(1)低阻互连(2)金属和半导体形成低阻接触(3)与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好(4)对台阶的覆盖好(5)结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象(6)易刻蚀(7)制备工艺简单,11,第九章后端工艺,第九章后端工艺BACKENDTECHNOLOGY,9.1引言9.2接触9.3互连和通孔9.4介质,12,第九章后端工艺,接触,EarlystructuresweresimpleAl/Sicontacts.,早期结构是简单的AL/Si接触,13,第九章后端工艺,为什么早期纯铝作为接触和互连线？电阻率低和硅和氧化硅的黏附性好和重掺杂硅有良好的电接触在退火过程，对消除SiSiO2界面陷阱有促进作用,14,第九章后端工艺,15,第九章后端工艺,特征电阻Rc,衡量欧姆接触质量的参数是特征电阻Rc定义：零偏压下的电流密度对电压偏微商的倒数,比接触电阻的单位:欧姆.cm2接触电阻R=Rc/S,16,第九章后端工艺,金属化层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触，也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂浓度及金半接触的势垒高度,17,第九章后端工艺,形成欧姆接触的方式,低势垒欧姆接触一般金属和P型半导体的接触势垒较低高掺杂欧姆接触高复合欧姆接触,Al/N-Si势垒高度0.7eV需高掺杂欧姆接触,Al/p-Si势垒高度0.4eV,晶体缺陷和杂质在半导体表面耗尽区起复合中心作用,18,第九章后端工艺,铝和硅接触的问题-spikingproblems,硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，形成孔洞,Al填充到孔洞,引起短路，因此结深大于23微米，是不能采用纯铝工艺,为了确保铝将Si表明的自然氧化层还原和铝和硅良好的物理接触，要在450度和氢气中进行退火。然而在此温度，硅在铝中的溶解度较大。,19,第九章后端工艺,20,第九章后端工艺,解决spiking问题的方法:广泛采用的方法是在Al中掺入1-2%Si以满足溶解性,然而当冷却时,会有硅的分凝并会增加rc方法1：TiSi2/TiN结构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,21,第九章后端工艺,解决AlSpike的问题,方法2利用扩散阻挡层(DiffusionBarrier)常用扩散阻挡层：TiN,TiW，stableupto500C,目前常用TiN淀积在Ti上的双层结构，Ti和Si形成TiSi2，接触好，而TiN电阻率小，但接触电阻较大。,22,第九章后端工艺,23,第九章后端工艺,第九章后端工艺BACKENDTECHNOLOGY,9.1引言9.2接触9.3互连和通孔9.4介质,24,第九章后端工艺,互连材料的选择,1)导电率高2)容易与P型和n型形成低阻欧姆接触3)与SiO2等介质粘附性好4)易于制备成薄膜5)易刻蚀6)易键合,25,第九章后端工艺,Al是主要的互连材料,-lowresistivity低电阻率-adhereswelltoSiandSiO2对硅和氧化硅黏附性好-canreduceotheroxides可还原成氧化物canbeetchedanddepositedusingreasonabletechniques易于制备和刻蚀,26,第九章后端工艺,纯Al金属化系统的不足：,熔点较低和较软问题之一：需熔点较高的材料作为栅电极(自对准工艺）和局部互连线掺杂多晶硅,27,第九章后端工艺,问题之二：容易在Al中形成小丘和孔洞由于Al中的应力和扩散造成,HeatingplacesAlundercompressioncausinghillocks.CoolingbackdowncanplaceAlundertensionvoids.,28,第九章后端工艺,Addingfew%Custabilizesgrainboundariesandminimizeshillockformation.,解决方法：加入少量的Cu稳定晶界和减少小丘的形成,29,第九章后端工艺,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,问题之三：大电流密度(0.1-0.5MA/cm2)下，有显著的电迁移现象,30,第九章后端工艺,铝的电迁移,31,第九章后端工艺,金属化层因电迁移引起的平均失效时间MTF,式中A金属条横截面积(cm2)J电流密度(A/cm2)金属离子激活能(ev)k玻尔兹曼常数T绝对温度C与金属条形状、结构有关的常数,32,第九章后端工艺,解决电迁移现象的方法,在Al中加入Cu(0.5-4weight%)可以消除电迁移通常在Al中加入1-2wt%Si和0.5-4wt%Cu.,33,第九章后端工艺,进一步的发展是采用其他低电阻率材料作为局部互连，如采用TiN和硅化物，silicides.,图中硅化物TiSi2可用于；作为多晶硅栅上的连线作为和pn结的连线局部互连线,34,第九章后端工艺,Spacer,35,第九章后端工艺,Self-alignedsilicide(“salicide”)process,自对准硅化物工艺Salicide,36,第九章后端工艺,有多种硅化物应用于集成电路工艺中,37,第九章后端工艺,Multilevelmetalinterconnectsposednewchallenges.,多层金属互连问题面临新挑战,早期集成电路是二层金属结构(1970-1980)当金属互连层增加，不平整的形貌将会使光刻、淀积和填充等成为严重问题,降低台阶高度，获得平坦形貌的工艺称平坦化工艺,38,第九章后端工艺,DemonstrationofDegreeofPlanarization,平坦化程度定义,平坦化是第一个问题如何解决下节讨论,39,第九章后端工艺,Al的电迁移仍然是个问题，解决方法：在Al的上、下，甚至中间加入分流金属层，如Ti,Ti-W,TiN和TiSi等。分流层在多层布线中机械性能好且它的黏附性好，也是好的阻挡层。,电迁移是第二个问题,40,第九章后端工艺,目前集成电路多层布线技术中采用了上述工艺,41,第九章后端工艺,第九章后端工艺BACKENDTECHNOLOGY,9.1引言9.2接触9.3互连和通孔9.4介质,42,第九章后端工艺,Dielectrics,介质,Dielectricselectricallyandphysicallyseparateinterconnectsfromeachotherandfromactiveregions.,43,第九章后端工艺,Twotypes:-Firstleveldielectric-Intermetaldielectric(IMD),44,第九章后端工艺,FirstleveldielectricisusuallySiO2“doped”withPorBorboth(2-8wt.%)toenhancereflowproperties.PSG:phosphosilicateglass,reflowsat950-1100CBPSG:borophosphosilicateglass,reflowsat800C.,SEMimageofBPSGoxidelayerafter800Creflowstep,showingsmoothtopographyoverstep.,45,第九章后端工艺,UndopedSiO2oftenusedaboveandbelowPSGorBPSGtopreventcorrosionofAl.,46,第九章后端工艺,介质层（inter-metald