集成电路制造技术教学课件PPT金属化与多层互连.ppt

集成电路制造技术第九章金属化与多层互连 西安电子科技大学微电子学院戴显英2012年8月 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 互连 al cu合金接触孔与通孔 金属w ti tin w ti tin 焊接层 阻挡层 防反射层电极材料 金属硅化物 如tisi2 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 9 2金属化材料及应用 常用金属材料 al cu pt au w mo等常用的金属性材料 1 掺杂的poly si 2 金属硅化物 ptsi cosi2 wsi2 tisi2 3 金属合金 alsi aucu cupt tib2 sige zrb2 tic moc tin 1 多晶硅 栅和局部互连 70s中期后代替al作为栅极 高温稳定性 满足注入后退火的要求 al不能自对准 重掺杂 lpcvd淀积2 硅化物 电阻率比多晶硅更低 常用tisi2 wsi2和cosi2 9 2金属化材料及应用 自对准形成硅化钛 9 2金属化材料及应用 2 硅化物 3 铝 al 最常用的金属导电性第四好的金属 铝2 65 cm 金2 2 cm 银1 6 cm 铜1 7 cm1970s中期以前用作栅电极金属 9 2金属化材料及应用 4 钛ti 硅化钛 氮化钛 1 阻挡层 防止w扩散2 粘合层 帮助w与sio2表面粘合在一起3 防反射涂层arc anti reflectioncoating 防止反射提高光刻分辨率 ti tin的作用 9 2金属化材料及应用 5 钨w 接触孔和通孔中的金属塞 接触孔变得越来越小和越窄 pvdal合金 台阶覆盖性差 产生空洞 cvdw 出色的台阶覆盖性和空隙填充能力 cvdw 更高电阻率 8 0 12mw cmpvdal合金 2 9 3 3mw cm w只用作局部互连和金属塞 9 2金属化材料及应用 接触工艺的演变 9 2金属化材料及应用 w钨cvd w原料 wf6先与sih4反应形成w淀积的核层 2wf6 g 3sih4 2w s 3sif4 g 6h2再与h2反应淀积w wf6 g 3h2 w s 6hf g 需要tin ti层与氧化物黏附 wplugandtin tibarrier adhesionlayer 6 铜 lowresistivity 1 7mw cm lowerpowerconsumptionandhighericspeed highelectromigrationresistance betterreliability pooradhesionwithsilicondioxide highlydiffusive heavymetalcontamination veryhardtodryetch copper halogenhaveverylowvolatility 9 2金属化材料及应用 9 3al的性质及现象 电阻率 al为2 7 cm au2 2 cm ag1 6 cm cu1 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 1al的性质 9 2 2al 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 4al 3si 2al2o3好处 降低al si欧姆接触电阻 改善al与sio2的粘附性 9 3al的性质及现象 9 2 3al si接触的尖楔现象 图9 3al si接触引线工艺t 500 t 30min a 16 m2 w 5 m d 1 m 消耗si层厚度z 0 35 m 相当于vlsi的结深 si非均匀消耗 实际上 a z 故al形成尖楔 9 3al的性质及现象 尖楔机理 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1 m 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 3al si接触的尖楔现象 9 3al的性质及现象 9 2 4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 3al的性质及现象 9 4cu及低k介质 9 4 1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 4cu及低k介质 9 4 2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 cu 1 72 cm al 2 82 cm 低k 的介质材料 3 5 9 4 3cu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 4 4cu互连工艺流程 9 4 5cu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 coppermetallization 多层cu互连 9 5多晶硅及硅化物 多晶硅 cmos多晶硅栅 局域互连线 9 5 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 toxr l 互连线方块电阻和长度 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 5 2多晶硅互连及其局限性 9 5多晶硅及硅化物 9 6vlsi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 互连引线面积与各种互连延迟 9 6 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多层 9 6vlsi与多层互连 平坦化的必要性 9 6 2平坦化 9 6vlsi与多层互连 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 9 6 2平坦化 9 6vlsi与多层互连 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 6 2平坦化 9 6 3cmp工艺 cmp chemicalmechanicalplanarization化学机械平面化或chemical mechanicalpolishing化学机械抛光 9 6vlsi与多层互连 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 sio2cmp的基本机理 金属被氧化 形成氧化物 sio2磨掉氧化物 9 6 3cmp工艺 9 6vlsi与多层互连 9 6 4cmosic的多层互连 1 pecvdnitride 9 6 4cmosic的多层互连 2 pecvdusg 3 pecvdetchstopnitride 4 pecvdusg 5 photoresistcoating 9 6 4cmosic的多层互连 via1mask 6 via1maskexposureanddevelopment 7 etchusg stoponnitride 9 6 4cmosic的多层互连 8 stripphotoresist 9 photoresistcoating metal1mask 10