（材料物理与化学专业论文）小尺寸铝金属化pvd技术与互连薄膜的研究.pdf

摘要 开发旨在减小r c延时和降低功耗的新互连技术是u l s i 的发展需要。在互 连薄膜领域， 一个最重要的课题是如何设计一种简单可行、 兼容性强、 生产率高 的工艺流程来解决台阶覆盖等可靠性问题。本文将阐述的主要技术课题有: ( i )通过不同衬底温度下铝互连薄膜的晶 粒形态， 研究热处理后 i c薄膜的晶 粒 的生长规律。 显著的晶粒生长会引起互连层的可靠性问题。 本文用实验证明与温 度和时间有关的晶粒尺寸的理论模型口有利于工艺模拟和在线监控。 ( i i ) 用p v d金属淀积方法在小尺寸接触孔中填充铝互连薄膜。实验证明用p v d 金属淀积法结合高温回流和分步淀积可消除亚微米接触孔的空洞。 本文从理论上 证明台阶覆盖率随温度的升高而增加， 而较高的溅射速率会阻碍原子向孔内迁 移。通过热处理回流技术可用单纯的p v d方法对亚微米通孔进行成功填充，有 利于减少工艺步骤，降低生产成本。由于生产时间和使用寿命对产品至关重要， 因此有必要在提高覆盖率的样本中选择不影响产率和可靠性的最佳的工艺条件。 在溅射工艺中引入测量薄膜方块电阻作为温度监控的手段。 关键词: 物理气相淀积铝金属化接触孔的填充台阶覆盖回流 热负载晶粒生长 ab s t r a c t a n e w g e n e r a t i o n o f i n t e r c o n n e c t s c h e m e s i s r e q u i r e d f o r h i g h p e r f o r m a n c e u l s i . t h i s i n v o lv e s d e v e l o p i n g p r o c e s s t e c h n o l o g y a i m e d a t r e d u c i n g r c d e l a y a n d p o w e r c o n s u m p t i o n . i n t h e in t e r c o n n e c t f i l m a r e a , o n e o f t h e m o s t s i g n i f i c a n t c h a l l e n g e s i s t o d e f in e a w o r k a b l e a n d r e l i a b l e c o m b i n a t i o n o f h i g h s t e p c o v e r a g e w i t h s i m p l e , c o m p a t ib l e a n d p r o d u c t i v e p r o c e s s . t h e k e y t e c h n o l o g i c a l i s s u e s t h a t w e w i l l a d d r e s s i n t h i s p a p e r a r e : ( i ) s t u d y i n g t h e g r a i n s i z e o f i c t h i n f i l m s i n d u c e d b y t h e r m a l t r e a t . o b v i o u s g r a i n g r o w t h w i l l c a u s e r e l i a b i l i t y p r o b le m s o f in t e r c o n n e c t l e v e l s . t h e m o v e m e n t o f g r a i n b o u n d a ry d u r i n g h e a t i n g w a s d e s c r i b e d a n d t h e t h e o r e t i c a l m o d e l w a s v e r i f i e d b y e x p e r i m e n t s i n v o l v i n g g r a i n s i z e , h e a t t e m p e r a t u r e , a n d t i m e . t h e g r a i n s i z e d i s t r ib u t i o n f o r a t h i n f i l m t h a t h a s u n d e r g o n e n o r m a l g r a i n g r o w t h i s c l o s e t o l o g n o r m a l d i s t r i b u t i o n . ( i i ) f i l l i n g t h e s e s m a l l f e a t u r e s i z e s u s i n g a l u m i n u m f i l m s w it h p v d m e t a l d e p o s i t i o n . v o i d s i n s u b - m i c r o n c o n t a c t s c o u l d b e e l i m i n a t e d b y p v d p r o c e s s c o m b i n e d w i t h a h i g h t e m p e r a t u r e r e fl o w a n d t w o - s t e p d e p o s i t i o n . t h e s t e p c o v e r a g e o f c o n t a c t s w a s t h e o r e t i c a l l y t e s t e d t o i n c r e a s e w i t h t h e t e m p e r a t u r e o f s u b s t r a t e a n d a h i g h p o w e r o f s p u t t e r i n g w o u l d b l o c k t h e d i ff u s i o n o f a t o m s . t h e r e fl o w p r o c e s s s im p l y e m p l o y i n g t h e p v d c l u s t e r t o o l w a s s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o f a b r i c a t e i c w a f e r s f o r t h e s u b m ic r o n t e c h n o l o g y . s i n c e t i m e - t o - m a r k e t a n d t i m e - i n - u s e a r e v e r y c r i t i c a l f o r m a n u f a c t u r e , i t i s n e c e s s a r y t o e x t r a c t o p t im a l p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s f r o m t h e q u a l if i e d d a t a . a n e ff e c t i v e m e t h o d t o m o n i t o r t h e t e m p e r a t u r e i n p r o c e s s w a s f ir s t i n t r o d u c e d i n t o t h e e x p e r i me n t . k e y w o r d s : p h y s i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ( p v d ) , a lu m i n u m m e t a l l iz a t i o n , c o n t a c t f i l l i n g , s t e p c o v e r a g e , r e fl o w , t h e r m a l b u d g e t , g r a i n g r o w t h ，j l， 二 月 u舀 现代集成电路包含成千上万个的逻辑和线性元件来实现各种功能。 互连层为 这些器件提供电信号的连接导线。 如今， 对更快、 更大、可靠性更好的芯片的需 求与日 俱增。发展的目 标是生产出高密度、 低功耗、高频率和更大规模的u l s i 芯片。同时， 在不牺牲可靠性的基础上降低工艺复杂度和成本是当务之急， 尤其 是b a c k e n d 工艺中的金属化技术。其中互连技术更是当今研究的热点。 集成电路的金属化工艺主要包括以下步骤:1 . 除气2 . 浸润层淀积3 . 金属层淀 积 4 . 回流。随着特征尺寸的缩小，一系列因素造成接触孔/ 通孔的填充能力不断 下降，包括浸润层的表面覆盖率降低，回流温度不足，浸润层在侧墙处凝结等。 台阶覆盖率直接影响金属布线的导电性。 如果台阶覆盖率低， 那么通电流状态下 导线就容易熔断: 如果台阶上金属覆盖厚度不均， 易发生电迁移现象， 造成空洞。 因此，生产中采用不同的合金、不同的浸润材料和淀积工艺来改善接触孔/ 通孔 的填充状况。 本毕业设计选题为 小尺寸铝金属化 p v d技术与互连薄膜的研究 ，针对 u l s i 互连技术发展的需求，意在研究工艺过程中常用的互连薄膜的性质，并介 绍一种适用于大多数0 . 6 - 0 . 8 n m乃至更小特征尺寸工艺的铝金属化方法。 本文第一章概述研究背景， 按类别介绍主要互连薄膜的性质和相应工艺技术 的发展状况。 除了文中重点研究的铝金属化， 还涉及与接触有关的金属硅化物和 新兴的铜工艺。 纵览全貌， 突出铝布线的优势和实用价值。 可靠性方面， 铝钉和 结的穿透与电迁移是比较突出的问题，这些都与接触孔的台阶覆盖率有关。 要制造出优质的多层互连， 首先要了解工艺过程中互连薄膜的生长规律。 同 时， 晶粒的大小也直接影响金属布线的电 迁移寿命。 因此， 须将晶粒尺寸控制在 有利于可靠性和后端工艺可控性的范围内。 本文第二章专门研究互连材料在过热 处理后薄膜晶粒形态的变化， 用理论并实验来加深对这一过程的认识。 不仅如此， 还可根据文中的理论模型描述加热过程中薄膜晶粒的行为， 进行工艺模拟， 用事 前评估来指导生产实践。 用p v d法淀积的a l 接触孔和通孔与w - p lu g 相比，电 阻率低，工艺简单， 成本低。但对小尺寸的窗口结构，台阶覆盖率不够高是p v d溅射方法的主要困 难。 针对接触孔的台阶覆盖问题， 本文第三章依据磁控溅射的原理和回流的理论 模型，设计实验考察工艺中的主导因素，将p v d - a l 填充技术引入亚微米i c制 造领域，并通过工艺改良成功地将该技术应用于先进半导体制造有限公司 0 .6 g m u l s i 的大规模生产。 万一 如 一 :侧浪 介封妇 二 迁 技只 第一章 概述:微电子接触与互连技术 i c按比例缩小对接触与互连的要求 现今集成电路发展对接触和互连的要求， 归纳起来主要体现在以下三个方面 1 )高 集成密度 为了市场的需求和降低成本， 集成电路总是向着更小的尺寸发展。 依照摩尔 定律，每块芯片上容纳的器件的最大数目 持续地增长，( 同时芯片本身的尺寸也 在增大) 。而这么多器件否能有效工作，共同实现功能，取决于它们是否合理并 正确地被连接起来。 这也是我们通常说的， 只有当互连实现了，芯片上的“ 功能 密度”才相应增加。 表 1 - 1 各技术时代的金属层数量和互连总长度 t e c h n o l o g y y e a r2 0 0 2 2 0 0 4 2 0 0 6 2 0 1 0 2 0 1 6 nu mb e r o f me t a l l e v e l t o t a l i n t e r c o n n e c t l e n g t h ( m / c m 2 ) 8 9 1 0 1 0 1 1 4 8 4 3 6 8 7 9 1 0 0 2 2 1 6 0 6 3 3 3 5 0 8 然而要把成百上千个器件按照线路要求实现物理上的连接并非易事。很快， 互连引线在芯片上所占面积就远远超出了容纳器件所需的面积。 这样， 继续缩小 器件尺寸也就不再能提高电路的性能。 克服这种限制的方法有缩小的接触孔大小 和线宽，以 及多层互连， 即将布线向纵向叠置， 增加单位芯片面积上的“ 功能密 度” 。 2 )高速低延时 当 器件尺寸 缩小后， 器件本身对数字信号的延迟也减小了。 也就是m o s 管 的开关速度不再影响i c的响应时间， 而是晶体管的电容负载是i c性能的主要限 制。 另一方面， 互连线宽的缩小和互连的长度随芯片面积的增大而变长致使u l s i 电 路受互连延时的限制。 例如， 电子漂移穿过2 p m沟道引 起的本征门 延迟为2 0 p s , 而一个2 5 6 k b it 的d r a m的延迟约 1 0 0 n s ，约为本征门延迟的5 0 0 0 倍。那么如 果一 块芯片上沟 道长度不大于2 w m的 器 件数 量不到5 0 0 0 个， 总延迟时间 就不 会 受本征门延迟的影响。 这不仅对存储器芯片而台， 也在其他复杂的逻辑电路中发 生。 、 拭 代_ ; :朽 牡 _. 了 了净j ， 沪 浪 _ 傀 义介 一户 目 . 月. . . . . . . . 7060弘叨阅20100 4 洲.1。0.日一1 0 . 6 5欣5众3 5氏2 5 t e c h n o l o g y0.13(a - ) 皿1 0 0 . 0 7 图 i 一 1 各个技术节点的最小设计规则下，器件本征延时与互连 r c延时 集成电路经过长期以来的按比例缩小，单个器件的延时也随尺寸不断减小。 如图 1 - 1 ， 在0 .2 5 ( 1 m以下的 技术 节点， 互连延时的 影响 大于单个器件的 延时， 在总延迟时间中占主要地位1 。因 此， 集成电路的总延迟时间主要由互连的 r c 延时决定。 表 1 - 2 列出了单位面积不同的互连材料引起的延迟。从表上可以看到，即 使是l c m长的铝线引 起的延迟也远大于沟道长度为2 l. m的 器件延迟。 表 1 - 2 u l s i 硅芯片的 互连延迟2 co n d u c t o r m a t e r i a l s p o l y s i l i c o n r e s i s t i v i t y ( u oc m) th i c k n e s s 204.64.33222171311八划 nu t a s i 2 ti p d s i mo s i 2 t i s i 2 ws i 2 p d w a1 1 , 0 0 0 4 6 4 2 . 7 3 2 2 2 1 7 1 2 . 5 1 0 . 5 5 . 3 2 . 6 ( 1些2 5 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 s h e e t re s i s t a n c e ( s v s q u a r e ) d e l a y s e c / m m 2 ) . 5 3 . 2 6 7 , 0 0 0 1 , 5 8 7 1 , 4 8 4 1 1 0 4 7 5 9 5 8 6 4 4 8 3 8 0 1 8 3 9 0 硅片上互连的延迟可以通过计算获得。互连线的电阻表示为 r二( p i ) / ( wt . ) ( 1 一 1 ) 且有互连层间电容， c=( e w l ) / t 二 ( 1 一 2 ) 则得到 r c延迟的组成关系， r c 二 p e l t ( 1 一 3 ) t m t - 其中， p 是材料的电阻率， l 是互连线长度， w是互连线宽度， 。 是介电常数， t o 是金属厚度，t o . 是氧化层厚度。 由此可见， 按比例缩小后， 有两个目 标必须实现。 一是跨越芯片的用于传输 信号的 材料的电阻值应尽可能 低。 这也是用硅化物互连( t i s i 2 , 1 .7 5 ?j s q u a r e ) 代替多 晶 硅互连( 2 0 5 9 s q u a r e ) ， 用铜代替铝的原因; 另一个是尽可能减小互连线的长度， 解决的办法是采用多层互连。 3 )高可靠性 由于多层互连技术在集成电路制造中的成功应用，芯片尺寸被有效地缩小， 每块晶片上就能容纳更多芯片。假设制造每块晶片的成本相同且成品率不受影 响，则每块芯片的成本会降低。而且先进器件性能抬高了产品的市场价。 然而运用多层互连系统， 每增加一层互连层需要增加至少两道掩膜步序。 单 位面积上的缺陷数量随增加的掩膜步序成比例增长。 不仅如此， 由于工艺对技术 的要求更加苛刻，多层金属长期的可靠性和生产成品率会变低。因此，由成品率 和可靠性引起的额外损失成了缩小芯片尺寸和抬高产品价格能否赢利的决定因 素。 如前面提到的， 多层互连工艺给集成电路的制造带来了一系列的困难， 除了 增加了工艺的复杂度外还包括: 使用新的材料。 这些材料的性质必须确保与工艺 的各环节兼容; 新的制造工艺技术还有待完善。 如互连层间的短路， 刻蚀不完全 或过刻， 薄膜的粘附性差或在应力下剥落， 合金的衔接问题等; 另有新的失效机 制产生。 如电迁移、 腐蚀、小丘的形成等， 须对这些机制对电路性能的损害进行 评估。因此，互连工艺的发展取决于互连材料和工艺的进步。 2多层互连的材料和工艺 2 . 1 多层互连中的导体薄膜 多层互连中的材料分为导体薄膜和绝缘体薄膜。 绝缘体薄膜是作为隔离的介 质层， 主要材料是用c v d方法淀积的s i o 2 。 新的l o w - k 材料是当前研究的热点， 这里不作讨论。 i c中的导体薄膜种类繁多，使用最广的互连布线材料是a l ; w是接触孔和 通孔的栓材料: 重掺杂多晶硅主要用于局部互连; 在多晶硅上有用于减小接触电 阻的金属硅化物( 如 ws i z , t i s i 2 , c o s i 2 ) ; t in是用作扩散阻挡层和粘附层的导 电材料。 一 _ 滚弓 _ :资洲 . 止 城 一 加 份 勺j 立 二 社 弓 n .能在垂直结构保角淀积台阶 ( 台阶覆盖率好) o .薄膜的反射率控制在可进行光刻的范围内 p .合金薄膜的组分在淀积后符合要求 q ，产能高 r ，工艺设备可靠、运作经济、操作简便、易保养 以上对i c互连导体薄膜的要求中，有些是十分苛刻的。然而除非一种导体 薄膜能满足这些要求中的绝大部分，否则它就不可能被应用在u l s i 中。因此， 适合做互连导体薄膜的材料虽然在增加， 但依然为数不多。表 1 - 3 归纳了 这组 材料的一些重要性质。 表 1 - 3 u l s i 中各种互连导体材料的性质 p me l t i n g p o i n t al mo w t i s i 2 ws i 2 c o s i z t i : w ( 1 o w t % t i ) t i n c u p o l y - s i ( h e a v i l y d o p e d ) ( 料 只 c m ) 2 . 7 - 3 . 3 6 - 1 5 6 - 1 5 1 3 - 1 6 3 0 - 7 0 1 0 - 1 8 7 5 - 2 0 0 2 5 - 2 0 0 re a c t i o n w i t h s i ( ) s t a b l e o n s i u p t o ( ) 2 6 2 0 3 4 1 0 1 5 4 0 2 1 6 5 1 3 2 6 - - 2 5 0 4 0 0 - 7 0 0 6 0 0 - 7 0 0 - 2 5 0 - - 4 0 0 - 6 0 0 45 9 0 0 :_ 1 0 0 0 45 9 5 0 5 7 0 0 2 8 8 0 1 0 8 3 1 0 0 01 41 2 表中所列的是厚度为1 0 - 1 0 0 0 n m的多晶薄膜典型的电阻率值，当薄膜更厚、 更纯、晶粒更大，电阻率值将更低。另外， 不同的工艺条件生成的合金薄膜的组 分差异也将导致电阻率的变化。 互连导体薄膜的另一个重要性质是它们和s i 和s i 0 : 的粘附性。在这方面， a l , t i 和t i n薄膜做得最好。 a i 和t i 和s i 仇反应生成金属氧化物来增加界面的 粘合和稳定性。 wi s i 2 和t i s i2 仅次于a 1 和t i . w和c u 不和s i 0 : 反应， 粘附性 较差。因此，w 和 c u 不单独使用，而要配合t i , t i n和 t a n来提高粘和性。 2 .2 u l s i 中的铝金属化 2 . 2 . 1 铝金属薄膜的性质 铝金属是目前集成电路金属化工艺中最为常用的材料，它和现有的s i 的i c _一 八代 一夯 一 少 ，纽 一别 : 注挂 工 艺 最为 兼 容 且价 格 便宜。 铝的 密 度为2 .7 0 2 g / c m 3 ， 熔点6 6 0 .3 7 c ， 沸点2 4 6 7 ， 汽 化 温度 1 0 8 2 c ， 再结晶 温 度 1 5 0 0c ， 线 膨胀 系数 2 3 . 1 x 1 0 - 6 / 0c ， 电 阻 率 2 .6 6 1t n -c m ， 电 阻 温度系 数4 2 0 0 p p m / 0c . 铝的晶 体结构为面心立方， 晶 格常数 为 0 .4 0 4 1 3 n m。在 1 2 2 0 时的蒸气压为 1 .3 3 3 p a .铝的导电性良好，是一种较活泼 的金属，其表面易形成一层氧化物。 a l 的 导电 性仅次 于a g . c u 和a u ， 是一 种优良 的 导电 材料， 在半导体器 件 和集成电路中是目 前用得最多的一种导电 材料。 a l 与硅基片、s i 0 2 等介质薄膜 具有较好得附着性， 铝膜与金丝、 铝丝容易键合， 因而成为理想的互连导电薄膜。 铝及其合金薄膜具有如下优点: a 电导率高 b .与n型、p 型硅的接触势垒低，容易形成欧姆接触 c .价格低、纯度高 ( 9 9 . 9 9 9 %) ，易于蒸发或溅射，可获得纯度高的铝膜 d .对抗蚀剂的选择性好，容易光刻合采用活性离子刻蚀 e .与金丝、铝丝的可焊性好，适宜于热压焊和超声焊 f .与硅基片、s i 0 : 绝缘层、玻璃及陶瓷基片有较好的附着性 所以， 从其综合性能来看， 它是集成电路中最主要的互连及电极材料。 但另一方 面， 由于铝的熔点比较低，自 扩散系数高等原因， 因而铝及其合金薄膜存在以下 缺点: a 即使在较低的温度下进行热处理，也会导致结晶尺寸和组成分布的变化， 使 膜性质不稳定 b 在与硅接触的界面处，由于互扩散而容易形成铝硅合金 c 抗电 迁移能力差， 通过 1 0 5 a / c m z 以上大电 流密度时，易产生电 迁移现象， 导致断线 d 与金易形成金属间化合物，影响电路的可靠性 上述性能缺点对铝膜的结晶结构、 组成分布、 膜的微细构造十分敏感， 且随 淀积参数和热处理条件而变化。 为使铝膜能满足大规模集成电路对加工行与可靠 性等的高要求，必须注意制膜工艺对薄膜结晶结构和成分的影响。 2 . 2 . 2 铝金属薄膜的制造工艺 真空蒸发的方法可用于生长铝膜， 真空蒸发的工艺条件与铝膜的性能和结构 密切相关。 提高基片温度、 增加膜层厚度， 都会使铝膜晶粒尺寸增大。 蒸发速率 会直接影响晶粒尺寸。 增大晶粒可减小晶界面积， 减少电迁移短路通道数， 有利 于增强铝膜抗电迁移的能力， 延长铝膜的平均寿命。 但晶粒尺寸不可太大， 否则 会影响铝膜细线条图形的光刻质量。 目 前， 在集成电路工艺中主要采用直流或射频溅射技术来制各铝膜， 溅射时 _滚 越 _ 粉呼 _ 子 扮少j ? j s 技i 通入a : 气后的真空室压强为0 . 1 一i o p a 左右。必须指出，实际使用的多为在铝 中掺少量s i . c u的铝合金。这时多采用磁控溅射法，靶为合金靶，或采用多源 共蒸发法，合金靶的组成与所得合金薄膜组成的对应关系如表 1 - 4 所示。 表 卜4磁控溅射法制成的铝合金膜的组成 材料 靶材中合金的成分 ( % ) 薄膜中合金的成分 ( % ) 2 0 1 a 1 合金 cu s i m n 3 . 9 - 5 0 . 5 - 1 0 . 4 - 1 . 2 3 . 8 1 0 . 8 6 0 . 6 7 2 0 1 4 a 1 合金 mg f e cr z n 0 . 2 - 0 . 8 1 . 0 0 . 1 0 0 . 2 5 0 . 2 4 0 . 21 0 . 0 2 0 . 2 4 a i - c u - s i 合金 cu s i s i 4 2 2 3 . 4 2 . 3 2 士0 . 1a l - s i 合金 此外，在集成电路工艺中，还发展了使金属有机物热分解的c v d法来制备 铝膜。 作为 源材料可用a i ( c 4 h 9 ) 3 o a i ( c 4 h 9 ) 3 的 熔点很低， 为一0 .6 0c ， 室温下为 液体，沸点 1 3 .3 p a 时)为4 0 0c 。其热分解反应式如下: ( c h 3 ) 2 c h - c h 2 1 3 a 1 - ( c h 3 ) z - c h 2 1 2 a i h + ( c h 3 ) 2 = c h 2 ( c h 3 ) 2 - c h 2 1 2 a i h - a 1 + h 2 + ( c h 3 )2 = c h 2 ( 1 一 4 ) ( 1 一 5 ) 式 ( 1 - 4 )的反应式在5 0 - 1 5 0 之i b i 进行，且是可逆反应。式 ( 1 - 5 )的反 应温度范围为2 2 0 - 3 0 0 0c o c v d法必须注意生长铝膜的表面平整度问 题， 采取的 办法之一是在成膜之前，通入t i c l 4 等气体对表面进行处理。另外，若将所生长 的铝膜在s i h 4 气氛下进行热处理，则可得到含s i 的铝膜。在集成电路工艺中也 采用a ic i 的分解与还原反应来制备铝薄膜。在6 6 0 以上， a i c 1 3 与a l 有如下 反应: a i c 1 3 +a i h3 a i c i( 1 一 6 ) 温度越高反应越向右边进行。将在高温下生成的a i c 1 导入处于低温条件的 基片区，就会在s i 基片上形成铝薄膜。 2 . 3 u l s i 中的硅化物薄膜 2 .3 . 1 金属硅化物 ( s i l i c i d e ) 因为多晶硅的电阻率大，而难熔金属薄膜又存在着易氧化及不耐酸等缺点， 由难熔或稀有金属和硅反应生产的金属硅化物能有效减小多晶硅和有源区的方 - 一 、一厂 六;胜 _ 终 找 块电阻。 金属硅化物具有很好的化学稳定性和高温稳定性， 并能与现行的多晶硅 技术相匹配。在大规模集成电路工艺中，金属硅化物被用作mo s 器件的栅极和 互连材料， 在不少场合可代替多晶硅和难熔金属材料使用。表 1 - 5 列出了一些 金属硅化物的性质。 表 卜5常用金属硅化物的性质 s i l i c i d e s t a r t i n g f o r m s i n t e r i n g t e mp e r a t u r e l o we s t b i n a r y e u t e c t i c t e m p e r a t u re( ) s p e c i f i c r e s i s t i v i t y ( k d 2 c or ) c o s i 2 me t a l o n p o l y - s i c o s p u tt e r e d a l l o y me t a l o n p o l y - s i 1 1 9 51 8 - 2 5 叭弓se0o 戌-9090 hf s i 24 5 - 5 0 mo s i z c o s p u tt e r e d a l l o y me t a l o n p o l y - s i ni s 6 c o s p u tt e r e d a l l o y p d 2 s i me t a l o n p o l y - s i p t s i me t a l o n p o l y - s i _ .m e t a l o n p o ly - s i t a s i , c o s p u tt e r e d a l l o y _ _ .m e t a l o n p o ly - s i t i s i c o s p u tt e r e d a l l o y ws i 2 c o s p u t t e r e d a l l o y z r s i 2 me t a l o n p o l y - s i 9 0 0 1 0 0 0 9 0 0 9 0 0 4 0 0 1 3 0 0 1 4 1 0 9 6 6 1 0 0 0 1 0 0 0 9 0 0 9 0 0 1 0 0 0 9 0 0 7 2 0 8 3 0 1 3 8 5 1 3 3 0 5 0 - 6 0 3 0 - 5 0 2 8 - 3 5 3 5 - 4 5 5 0 - 5 5 1 3 - 1 6 1 4 4 0 1 3 5 5 7 0 3 5 - 4 0 通常，硅与金属发生反应的温度比熔点低得多，大约是熔点温度的 1 / 3 。正 因为可由低温固相反应生成硅化物， 所以这种材料很适合在大规模集成电路中应 用。 从理论上说， 金属硅化物可以直接替换多晶硅而做栅极和互连材料。 但是这 样就要求有稳定的硅化物/ s i 0 : 的界面特性。虽然采用 mo s i: 栅己有研究报道， 但目前使用普遍的是多晶硅/ 金属硅化物复合栅结构，它保持了良好的多晶硅/ s i 0 : 界面特性， 并可使引线电阻降 低一个数量级以 上， 从而使电路速度提高。 在 所有的金属硅化物中， 除了t i s i 2 , c o s i : 以 外， 它们的电阻率都比相应的金属的 电阻率高一个数量级左右。 一些元素如t i , w, p t , p b 与半导体接触可用于制作肖 特基二极管( s b d ) o 它是一种理想的高频和高速开关器件， 可以用作高频检波和变频器; 在较低的反 向电 压范围内，也可以 用作非线性电容或变容管 3 。 卜公书 娜雀 _ :撇叱爪 ， 4 . 全 . 技弓 2 .3 .2 多晶 硅化物 ( p o ly c i d e ) 所谓多晶硅化物就是在多晶硅上再淀积一层低电阻率( 1 5 - 5 0 p n - c m ) 的硅化 物。可以通过蒸发、溅射或c v d淀积形成硅化物需要的金属，再在6 0 0 - 1 0 0 0 0c 下进行热处理或烧结使其与多晶硅反应形成硅化物。 也可以利用低压化学气相淀 积 ( l p c v d ) 法直接生成硅化物。 如w s i 、 在3 0 0 - 6 0 0 c , 1 0 0 - 5 0 0 m t o r r 下以w f 6 跟s i h ; 或s i h 2 c l: 反应生成。 为了维持栅氧化层的稳定性， 通常硅化物的厚度不 大于底下多晶硅厚度的一倍半以上。 多晶硅化物的优点除了高温稳定性之外， 可以在氧化气氛中在硅化物上长出 高品质的 s i 0 2 ，形成一层介电层。 这是由于高温下硅容易扩散穿过硅化物在其 表面与氧结合。这种特性有助于多层金属化的电路设计的实现。 2 .3 .3 自 对准硅化物 ( s a l i c i d e ) 使用自 对准硅化物( s e l f - a l i g n e d s i l i c i d a t i o n , s a l i c i d e ) 技术不仅可以 在节省 一道光刻工序的同时减小源漏扩散区的有效方块电阻值， 还可以减少金属接触孔 数目 ， 增加 后续布线 ( l a y o u t ) 的 方 便性， 进而 缩小整 个元 件摆列面积 4 。 可 作为 s a l i c i d e的金属包括 t i , c o , n i , p d , p t 等。都可以经由两次退火处理间夹 一 次选择性腐蚀处理来达到自 动对准的反应目 的。 v l s i 中， t i s i 2 应用最广5 。 其 工艺包括在栅极侧壁介电层( s p a c e r ) 刻蚀和源漏区形成后， 在整个晶片上地毯式 ( b l a n k e t ) 溅射一层2 0 - 6 0 n m的钦金属层。 然后以 第一次6 0 0 - 7 0 0 的快速热退火 处理( r t a i ) 生成栅上的多晶硅化物和源漏区的 金属硅化物， 随后用化学溶液选择 性地去除氧化层上方未反应的金属钦及t i n等化合物。 最后在第二次约8 0 0 以 上的 快速热退火处理( r t a 2 ) 使t i s i 2 - c 4 9 转变为t i s i2 - c 5 4 。 整个过程涉及到硅表 面自 生成 s i 仇 的清除:金属薄膜的淀积: 两次快速热退火处理的温度、时间和 气氛控制; 选择性腐蚀溶液的温度、 浓度和时间控制;以及金属接触孔的刻蚀等 关键步骤6 。 2 .4 u l s i 中的铜金属化 2 .4 . 1 铜互连及其镶嵌工艺 较多层的金属化系统须采用铜作为互连材料。铜的电阻率低，只有 1 .6 7 啤c m ， 低于铝的 2 .6 6 闷c m ， 且铜的抗电 迁移能力比 铝强很多。与 传统工 艺和互连材料相比，用作布线ie l 介质的低介电常数 ( l o w - k )材料的开发和低电 阻率金属的使用， 能在有效地降低互连寄生参数的同时， 增加互连密度和减少互 连层次。 因此， 铜互连技术被越来越多地应用在高速s r a m、 微处理器和超大规 模 a s i c等产品。 .性 _ 勿魏介诚泪、 价 _ 连拉碑 金属镶嵌工艺 ( d a m a s c e n e )与 金属栓塞 ( p l u g ) 工艺类似，都是先在低介 电层上刻蚀出图案， 接着在粘附层和扩散阻挡层后填充金属材料。 不同之处在于 金属镶嵌工艺在介质层上刻蚀图案， 再镶嵌金属， 而栓塞工艺在金属层上刻蚀图 案，再覆以介质层。 由于不平坦的金属层和介质层会造成芯片表面凹凸不平， 使窗口的刻蚀和金 属布线通孔的生成变得困难。 而铜的硬度较金属铝或铝合金大， 因此在铜金属布 线工艺中， 化学机械抛光( c m p ) 是必不可少的平坦化技术。 化学机械抛光设备的 基本组成部分是一个转动的圆盘和一个圆芯片固定装置， 可施力于圆晶片并使其 转动。 抛光液采用含有胶状s i 0 2 悬浮颗粒的k o h溶液研浆。 抛光过程中使用一 个自 动研浆添加系统， 适当地送入新的浆液以保持其成分不变， 并保证研磨垫始 终均匀的湿润程度。c mp具有表面平坦化功能，允许将通孔以堆叠 ( s t a c k )的 方法排列，可以提高互连密度。 单镶嵌工艺的互连沟槽和接线柱的制造要经过各自的介质刻蚀、 金属淀积和 c m p工艺过程，其互连和接线柱可以是不同的金属。而双镶嵌工艺中，先在绝 缘介质中刻蚀出互连和接线柱，然后一步完成金属的淀积和化学机械抛光过程， 接线柱和上层金属是同一种材料， 这样就简化了工艺步骤， 降低了成本。 当然这 也对单项工艺提出了更高的要求。 铜金属连线的制备通常可采用c v d方法、溅射方法等。由于铜与l o w - k 的 介 质 材 料有 直 接接 触， 因 此电 镀 被 认为 是一 种 更加 合 适的 方法 ? 。 因 为 在 接 线 柱 和互连沟槽的填充过程中， 铜的淀积温度不能超过l o w - k 材料的最大热稳温度( 一 般小于 3 5 0 0c ) 。对于镶嵌工艺来说，电镀有三大优点，即淀积温度低、淀积速 度快、制造成本低。此外己有实验证明，电镀的铜与c v d的铜相比有较大的结 晶粒度，可以有更长的电迁移寿命。 2 . 4 .2 铜互连的相关材料 铜作为互连材料除了铜难以刻蚀之外， 另一个问题是铜是快扩散杂质， 铜原 子不但很容易扩散进入氧化物或介质材料， 形成互连线的低击穿， 而且铜快速扩 散到 硅中 形成深能级陷阱， 或与 硅在较低温度下( 1 0 2 0 c m “ 的 掺 杂 浓 度 ， 预 计p 。 值 约 为1 0 i n .c m 2 。 对 于1 r m 2 的 接 触 孔 ， 接 触 电 阻 按 r、 = 鱼计 算 ， 则 约 为1 0 5 2 ， 己 经 是 个 不 小 的 值 。 a /1仁一 乙 徽厂衬娜拼 _ 弃 叮 泣 。 飞 _ 解兰 凡 口 嘴 1 0 1 0 兰 止 2 0 1 0 . 81 0 0 2 理论 ra i - n 3 。人卜 门 51 p , = o . 8 8 v 0 . 6 0v 了价01 ，.占电.昌 .琶a 扩u a 1 0 - , 0 . 4 0v -.刁 00 .门直 1 0 3 0 d ,v . ,1 0 ” ， ” 图 3 一 5 p - 了 万 关系曲线 当接触孔长度i 大于4 倍的m o s 器件沟道长度时， 接触电阻义。 为最小值， 可按下式表示: r , . ( m i n ) = 了 p .a pi ( 3 - 7 ) 其中w为接触孔宽度， p s h 是薄层电阻， ( 3 - 8 ) p 是 平 均 体电 阻率， 它 在亚 微 米 沟 道 长 度时 基 本 保 持 常 数， 对n 和p + 层 而言， 分 别为0 .0 0 1 s 2 -c m和0 .0 0 3 3 s 2 -c m o x . 为 结 深， 它 与w均 按比 例 减小。 因 此， 形 成 具有较长的w和1 的接触孔有利于减少r c o 0 为了 分析 r c 。 对器件性能的影响，需要对指定结构中的该值进行测量。 r c . 的 值不仅取决于 p c ， 还和薄层电阻、接触孔的大小和几何形状有关。因此在测 试结构中测量的r c 。 的值可能并不能提供实际的场效应或双极型晶体管义。 值的 准确估算。 尤其当接触孔变得越来越小时， 实际结构与测试结构的尺寸是不同的。 簇一 卜长 1价人执皿 共 一 魏 一川 户 负 - me a s u r e v / i f o r t h e c o n t a c t o f i n t e r e s t u s i n g a p a rt ic u la r t e s t s t r u c t u r e . u s e t h e e x t r a c t io n t e c h n iq u e t o o b t a i n p c u s e p c a n d g e o m e t r i c a l c o n t a c t p a r a m e t e r s t o f i n d r c o 图 3 - 6 实际接触孔r c 。 值的测量过程 通常确定r c fl 的方法是通过先在测试结构中 提取与接触孔结构无关的p c 的 值， 然后按照指定的接触孔尺寸来计算r c c 。具体过程如图 3 - 6 :先测量测试结 构中的v / 1 值，再通过二维模拟工具 ( 如p i s c e s ) 提取p c ，最后根据指定的接 触孔结构精确计算rc. 2 .2 .2 台阶覆盖率( s t e p c o v e r a g e ) 图 3 - 7 是一个简易的双层金属互连结构的示意图。 多晶硅栅和me t a l i 之 间的介质层称为p m d ( p o l y s i l i c o n m e t a l 1 d i e le c t r i c ) 。 位于两层金属之间的介质 层称为d mi . p m d中间断开的地方就是接触孔( c o n t a c t ) ，在m o s 器件中， 它 将和多晶硅或者硅衬底连接起来。 d m中间断开的地方是通孔( v i a ) ， 它用来连接 me t a l 1 和 me t a l 2 k b , r o (p b ) ， 这样只 要有 足够的 热能， 原子就从较陡 的表 面迁 移到较平坦的表面了。 从微观的角度理解， 原子在a 位置的曲率高， 周围与之形 成稳定键的原子少，于是便趋向较小系统能量的方向 ( 如b 位置)运动。 将(3 - ， ， 代 入 ( 3- ，“ ， 且 迁 移 率 m = 一 鲁 ， 其 中 。 是 原 子 的 扩 散 率: d. _日 k v =一 下 亡y s s 2 二 一 种 k! o x ( 3 - 1 5 ) 定义单位时间单位距离经过表面的原子数为表面原子束流f l u x . : 认拼 一/城: 今 必一书 一 讨妇孔 i ii 7 a . j 的址充 f l u x , = v . n ( 3 - 1 6 ) 刀 为原子的面密度。由 ( 3 - 巧)可得: _ ，d. _8 k r i u x , =- n - 亡儿“二 - ki dt ( 3 -1 7 ) 尽管( 3 - 1 7 ) 显示原子束流与温度成反比关系， 但由