复旦大学微电子制造工艺VLSI-15第十五讲-接触与互连

1,集成电路工艺原理,仇志军zjqiu邯郸校区物理楼435室,2,大纲,第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章接触与互连第十一章后端工艺与集成第十二章未来趋势与挑战,3,后端工艺backendofthelinetechnology(BEOL)将器件连接成特定的电路结构：金属线及介质的制作，使得金属线在电学和物理上均被介质隔离。,全局互连（Al）,局部互连（多晶硅,硅化物,TiN）,（IMD）,接触（contact）金属和硅的结合部通孔（via）用于连接不同层的金属连线金属间介质（IMD）钝化层（passivation）,（PMD）,4,后端工艺越来越重要占了工艺步骤中大部分影响IC芯片的速度,多层金属互连增加了电路功能并使速度加快,5,互连的速度限制可以作简单的估计,由全局互连造成的延迟可以表达为：,其中eox是介质的介电常数，K是边缘场效应的修正系数，r是金属线的电阻率,e,6,对IC金属化系统的主要要求,(1)金属和半导体形成低阻接触(2)低阻互连(3)与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好(4)台阶覆盖好(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,电学、机械、热学、热力学及化学,7,可能形成互连的导电材料,金属（metal）：lowresistivity多晶硅（polySi）：Mediumresistivity)硅化物（metalsilicides）：介于以上二者之间,8,9,定义：零偏压附近电流密度随电压的变化率,比接触电阻c的单位:Wcm2或m2接触电阻：,衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻c,重掺杂硅,金属线,接触面积A,金属Si之间，c在10-510-9Wcm2金属金属之间，c10-8Wcm2,10,欧姆接触,整流接触,金半接触,11,当金属与半导体之间的载流子输运以隧道穿透为主时，c与半导体的掺杂浓度N及金半接触的势垒高度qb有下面的关系qb在数值上等于金属费米能级上的电子进入半导体所需的能量。结论：要获得低接触电阻的金-半接触，必须减小金-半接触的势垒高度及提高半导体的掺杂浓度,12,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,Al/n-typeSi势垒高度0.7eV需高掺杂欧姆接触,Al/p-typeSi势垒高度0.4eV,1.12eV,13,最常用的材料是Al：采用溅射淀积,Al金属化系统失效的现象Al的电迁移（Electromigration）Al/Si接触中的尖楔现象Cu正全面取代Al,铝互连技术,14,（1）铝的电迁移,当大密度电流流过金属薄膜时，具有大动量的导电电子将与金属原子发生动量交换，使金属原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原子在阳极端堆积，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,Hillock,15,16,(2)Al/Si接触中的尖楔现象,1）硅和铝不能发生化学反应形成硅化物，但是退火温度下（400-500C），硅在铝中的固溶度较高（固溶度随温度呈指数增长），会有相当可观的硅原子溶解到Al中。2）退火温度下，Si在Al膜中的扩散系数非常大在薄膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的40倍。3)Al和SiO2会发生反应：4Al+3SiO22Al2O3+3SiAl与Si接触时，Al可以“吃掉”Si表面的天然SiO2层(1nm)，使接触电阻下降；可以增加Al与SiO2的粘附性。SiO2厚度不均匀，会造成严重的尖楔现象。,17,铝的尖楔SEM照片,18,解决电迁移问题的方法在Al中加入0.54的Cu可以降低铝原子在晶间的扩散系数。但同时电阻率会增加！,19,金属硅化物作为接触材料,特点：类金属，低电阻率（4MV/cm）低漏电（450oC）良好的粘合强度低吸水性低薄膜应力高平坦化能力低热涨系数以及与化学机械抛光工艺的兼容性等等,Low-kintegration,22,23,Lowkpolymer,24,化学机械抛光CMP,1）随着特征尺寸的减小，受到光刻分辨率的限制：R，则l和/或NADOF下降！例如：0.25mm技术节点时，DOF208nm0.18mm技术节点时，DOF150nm,0.25mm后，必须用CMP才能实现表面起伏度200nm,必要性,25,2）可以减少金属在介质边墙处的减薄现象，改善金属互连性能,不平坦时的台阶覆盖问题,使用CMP之后,26,CMP,三个关键硬件：PolishingpadWafercarrierSlurrydispen