第九章_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2013年9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)+3SiH42W(s)+3SiF4(g)+6H2再与H2反应淀积W:WF6(g)+3H2W(s)+6HF(g)需要TiN/Ti层与氧化物黏附,WPlugandTiN/TiBarrier/AdhesionLayer,6、铜Lowresistivity(1.7mWcm),lowerpowerconsumptionandhigherICspeedHighelectromigrationresistancebetterreliabilityPooradhesionwithsilicondioxideHighlydiffusive,heavymetalcontaminationVeryhardtodryetchcopper-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+4Al3Si+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=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,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,9.2.3Al/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，=1.72cm；（Al，=2.82cm）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=RL2ox/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）Me