集成电路工艺基础——09_金属化与多层互连.

1、电子科技大学中山学院 Chap 9 金属化与多层互连金属化与多层互连 v金属化金属化 金属及金属性材料在集成电路技术中的应用金属及金属性材料在集成电路技术中的应用 金属化的作用金属化的作用 将有源元件按设计的要求联结起来形成一个完整的将有源元件按设计的要求联结起来形成一个完整的 电路和系统电路和系统 提供与外电源相连接的接点提供与外电源相连接的接点 互连和金属化不仅占去了相当的芯片面积，而互连和金属化不仅占去了相当的芯片面积，而 且往往是且往往是限制电路速度限制电路速度的主要矛盾之所在。的主要矛盾之所在。 电子科技大学中山学院 金属材料的应用金属材料的应用 v金属材料的用途及要求：金属材料的用

2、途及要求： 栅电极栅电极 与栅氧化层之间有良好的界面特性和稳定性与栅氧化层之间有良好的界面特性和稳定性 合适的功函数，满足合适的功函数，满足NMOS和和PMOS阈值电压阈值电压 对称的要求对称的要求 多晶硅的优点多晶硅的优点 可以通过改变掺杂的类型和浓度来调节功函数可以通过改变掺杂的类型和浓度来调节功函数 与栅氧化层有很好的界面特性与栅氧化层有很好的界面特性 多晶硅栅工艺具有源漏自对准的特点多晶硅栅工艺具有源漏自对准的特点 电子科技大学中山学院 金属材料的应用金属材料的应用 v金属材料的用途及要求：金属材料的用途及要求： 互连材料互连材料 电阻率小电阻率小 易于淀积和刻蚀易于淀积和刻蚀 好的抗

3、电迁移特性好的抗电迁移特性 Al Cu 电子科技大学中山学院 金属材料的应用金属材料的应用 v金属材料的用途及要求：金属材料的用途及要求： 接触材料接触材料 良好的金属良好的金属/半导体接触特性（好的界面性和半导体接触特性（好的界面性和 稳定性，接触电阻小，在半导体材料中的扩稳定性，接触电阻小，在半导体材料中的扩 散系数小）散系数小） 后续加工工序中的稳定性；后续加工工序中的稳定性； 保证器件不失效保证器件不失效 Al 硅化物（硅化物（PtSi、CoSi） 电子科技大学中山学院 集成电路对金属化材料特性的要求集成电路对金属化材料特性的要求 v基本要求：基本要求： 1 低阻的欧姆接触，低阻的互连

4、引线低阻的欧姆接触，低阻的互连引线 2 抗电迁移性能好抗电迁移性能好 3 附着性好附着性好 4 耐腐蚀耐腐蚀 5 易淀积和刻蚀易淀积和刻蚀 6 易键合易键合 7 互连层绝缘性好，层间不发生互相渗透和扩散，要互连层绝缘性好，层间不发生互相渗透和扩散，要 求有一个扩散阻挡层。求有一个扩散阻挡层。 电子科技大学中山学院 集成电路对金属化材料特性的要求集成电路对金属化材料特性的要求 v晶格结构和外延生长的影响晶格结构和外延生长的影响 薄膜的晶格结构决定其特性薄膜的晶格结构决定其特性 v电学特性电学特性 电阻率、电阻率、TCR、功函数、肖特基势垒高度等、功函数、肖特基势垒高度等 v机械特性、热力学特性以

5、及化学特性机械特性、热力学特性以及化学特性 电子科技大学中山学院 铝在集成电路中的应用铝在集成电路中的应用 26 /10cmR cm Al 7 . 2 v Al的优点：的优点： 电阻率低电阻率低 与与n+,p +硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触 与硅和与硅和BPSG有良好的附着性有良好的附着性 易于淀积和刻蚀易于淀积和刻蚀 v故成为最常用互连金属材料故成为最常用互连金属材料 电子科技大学中山学院 金属铝膜的制备方法（金属铝膜的制备方法（PVD） v真空蒸发法（真空蒸发法（电子束蒸发）电子束蒸发） 利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源使之利用高压加速并聚焦的电子束加热

6、蒸发源使之 蒸发淀积在硅片表面蒸发淀积在硅片表面 v溅射法溅射法 射频、磁控溅射射频、磁控溅射 污染小，淀积速率快，均匀性，台阶覆盖性好污染小，淀积速率快，均匀性，台阶覆盖性好 电子科技大学中山学院 Al/Si接触中的现象接触中的现象 v 铝硅互溶铝硅互溶 v Al与与SiO2的反应的反应 电子科技大学中山学院 铝硅互溶铝硅互溶 v铝硅相图铝硅相图 相图表示两种组分与温度的关系相图表示两种组分与温度的关系 Al-Si系具有系具有低共熔特性低共熔特性 Al-Si系的共熔温度为系的共熔温度为577，相应的组分配比为，相应的组分配比为Si占占 11.3%，Al占占88.7% 淀积淀积Al时时Si衬底

7、的温度不得高于衬底的温度不得高于577 插图表示插图表示Si在在Al中的固熔度中的固熔度 400 时，时，Si在在Al中的固熔度为中的固熔度为0.25%（重量比）（重量比） Al在在Si中的溶解度低，中的溶解度低，Si在在Al中的溶解度较高。中的溶解度较高。 故退火时，故退火时， 有相当可观的有相当可观的Si原子会溶到原子会溶到Al中中 电子科技大学中山学院 vSi在在Al中的扩散系数中的扩散系数 在一定的退火温度下，退火时间为在一定的退火温度下，退火时间为ta时，时，Si原原 子的扩散距离为子的扩散距离为 其中其中D为扩散系数为扩散系数 aSi DtL 铝硅互溶铝硅互溶 电子科技大学中山学院

8、 Al与与SiO2的反应的反应 vAl与与SiO2的反应的反应 4Al+ 3SiO2 3Si+2Al2O3 吃掉吃掉Si表面的表面的SiO2 ，降低接触电阻降低接触电阻 改善改善Al引线与下面引线与下面SiO2 的黏附性的黏附性 电子科技大学中山学院 Al/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象 电子科技大学中山学院 Al/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象 电子科技大学中山学院 Al/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象 v Si溶解与溶解与Al中，消耗的中，消耗的Si体积为：体积为： v 假定假定Si在接触孔面积在接触孔面积A内是均匀消耗的，则内是均匀消耗的，则 消耗掉的消耗掉的Si层的厚

9、度为：层的厚度为： Si Al n n SdwDtV)(2 Si Al n n S A dw Dt )(2Z 电子科技大学中山学院 影响尖楔因素影响尖楔因素 vAl-Si界面的氧化层的厚度界面的氧化层的厚度 薄氧薄氧(尖楔较浅）尖楔较浅） 厚氧厚氧(尖楔较深）尖楔较深） v衬底晶向衬底晶向 111：横向扩展：横向扩展 、双极集成电路、双极集成电路 100：垂直扩展：垂直扩展 、pn结短路结短路 、MOS集成电路集成电路 （尖楔现象严重）（尖楔现象严重） 电子科技大学中山学院 Al/Si接触的改进接触的改进 vAl/Si接触的改进方法：接触的改进方法： 铝铝-硅合金金属化引线硅合金金属化引线 铝

10、铝-掺杂多晶硅双层金属化结构掺杂多晶硅双层金属化结构 铝铝-阻挡层结构阻挡层结构 电子科技大学中山学院 铝铝-硅合金金属化引线硅合金金属化引线-第第1种解决方案种解决方案 v用用Al-Si合金代替纯铝作为接触和互连材料合金代替纯铝作为接触和互连材料。 v可消弱尖楔问题，却引起新的问题可消弱尖楔问题，却引起新的问题 硅的分凝问题硅的分凝问题在较高合金退火温度下溶解在较高合金退火温度下溶解 在在Al中的中的Si，在冷却过程中又从，在冷却过程中又从Al中析出。中析出。 未溶解的硅形成一个个硅单晶节瘤未溶解的硅形成一个个硅单晶节瘤 欧姆接触电阻变大，引线键合困难欧姆接触电阻变大，引线键合困难 电子科技

11、大学中山学院 双层金属化双层金属化-第第2种解决方案种解决方案 v 铝铝-重掺杂多晶硅（重掺杂多晶硅（P,As） 在淀积铝膜前一般先淀积一层重在淀积铝膜前一般先淀积一层重P（As）掺）掺 杂多晶硅杂多晶硅 提供溶解于铝中所需的硅原子，从而抑制了尖提供溶解于铝中所需的硅原子，从而抑制了尖 楔现象楔现象 铝铝-掺杂多晶硅双层金属化结构成功应用于掺杂多晶硅双层金属化结构成功应用于 nMOS工艺中。工艺中。 电子科技大学中山学院 铝铝-阻挡层结构阻挡层结构-第第3种解决方案种解决方案 v 可在铝、硅之间淀积一层薄金属层，代替重磷掺可在铝、硅之间淀积一层薄金属层，代替重磷掺 杂多晶硅，称该薄金属层为阻挡

12、层。一般用杂多晶硅，称该薄金属层为阻挡层。一般用硅化硅化 物物代替金属，因为硅化物可以和硅表面的氧化层代替金属，因为硅化物可以和硅表面的氧化层 发生反应，从而与硅有很好的附着作用和低的欧发生反应，从而与硅有很好的附着作用和低的欧 姆接触电阻。姆接触电阻。 电子科技大学中山学院 电迁移现象电迁移现象 v在在较高的电流密度较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原作用下，互连引线中的金属原 子将会子将会沿着电子运动方向进行迁移沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就，这种现象就 是电迁移是电迁移(EM)。 本质是导体原子与通过该导体的电子流互相作本质是导体原子与通过该导体的电子流互相作 用，对于铝就是铝

13、原子沿着晶粒间界的扩散。用，对于铝就是铝原子沿着晶粒间界的扩散。 v结果：结果： 一个方向形成空洞，使互连引线开路或断开。一个方向形成空洞，使互连引线开路或断开。 另一个方向则由于铝原子的堆积而形成小丘，另一个方向则由于铝原子的堆积而形成小丘， 造成光刻困难以及多层布线之间的短路。造成光刻困难以及多层布线之间的短路。 电子科技大学中山学院 中值失效时间中值失效时间 v 表征电迁移现象的物理量是互连引线的中值失效表征电迁移现象的物理量是互连引线的中值失效 时间时间MTF（Median Time to Failure），即），即50%互互 连引线失效的时间。连引线失效的时间。 电子科技大学中山学院

14、 改进电迁移的方法改进电迁移的方法-第第1种方法种方法 v结构的选择结构的选择 采用竹状结构的铝引线，组成多晶硅的晶粒从采用竹状结构的铝引线，组成多晶硅的晶粒从 下而上贯穿引线截面，晶粒间界垂直电流方向，下而上贯穿引线截面，晶粒间界垂直电流方向， 所以晶粒间界的扩散不起作用，铝原子在铝薄所以晶粒间界的扩散不起作用，铝原子在铝薄 膜中的扩散系数和单晶体相似，从而可使膜中的扩散系数和单晶体相似，从而可使MTF 值提高二个数量级。值提高二个数量级。 电子科技大学中山学院 改进电迁移的方法改进电迁移的方法-第第2种方法种方法 v铝铝-铜合金和铝铜合金和铝-硅硅-铜合金铜合金 Al- Si（ 1%2%）

15、-Cu（4%） 杂质在铝晶粒晶界分凝，可以降低铝原子在杂质在铝晶粒晶界分凝，可以降低铝原子在 铝晶界的扩散系数，从而使铝晶界的扩散系数，从而使MTF提高一个数提高一个数 量级。量级。 缺点缺点: 增大了电阻率增大了电阻率 不易刻蚀、易受不易刻蚀、易受Cl2腐蚀腐蚀 电子科技大学中山学院 改进电迁移的方法改进电迁移的方法-第第3种方法种方法 v三层夹心结构三层夹心结构 可以在两次铝之间增加大约可以在两次铝之间增加大约500A厚的过渡金属厚的过渡金属 层。这三层金属通过层。这三层金属通过400退火退火1小时后，在两小时后，在两 层铝之间形成金属间化合物，可以防止空洞穿层铝之间形成金属间化合物，可以

16、防止空洞穿 越整个金属引线，也可以降低铝在晶粒间界的越整个金属引线，也可以降低铝在晶粒间界的 扩散系数，使扩散系数，使MTF提高提高23个数量级。个数量级。 v寻找新的互连金属材料寻找新的互连金属材料-第第4种方法种方法 电子科技大学中山学院 铜及低铜及低K介质介质 v互连引线的延迟时间常数互连引线的延迟时间常数 低电阻率材料（低电阻率材料（Cu） 低低K介质材料介质材料 cm Cu 0 .2 oxmoxm tt l t wl wt l RC 2 电子科技大学中山学院 以以Cu作为互连材料的工艺流程作为互连材料的工艺流程 v0.18um以下的工艺所需以下的工艺所需 v双大马士革（双大马士革（D

17、ual-Damascence)工艺工艺 工艺流程工艺流程 互连互连+通孔同时淀积，通孔同时淀积，CMP时仅需对互连材料时仅需对互连材料 进行进行 优点：工艺简化，成本降低优点：工艺简化，成本降低 返回返回 电子科技大学中山学院 低低K介质材料和淀积技术介质材料和淀积技术 v低低 K介质材料介质材料 介电常数比介电常数比SiO2 低的介质材料，一般小于低的介质材料，一般小于3.5 降低寄生降低寄生C，提高速度，提高速度 oxmoxm tt l t wl wt l RC 2 电子科技大学中山学院 大规模集成电路与多层互连大规模集成电路与多层互连 v 集成电路技术按摩尔定律发展，器件特征尺寸减集成电

18、路技术按摩尔定律发展，器件特征尺寸减 小，集成度不断提高。小，集成度不断提高。 互连线所占面积成为决定芯片面积的主要因素互连线所占面积成为决定芯片面积的主要因素 互连线延迟可以与器件门延迟相比较互连线延迟可以与器件门延迟相比较 v 互连系统已经成为限制集成电路技术进一步发展互连系统已经成为限制集成电路技术进一步发展 的重要因素，单层金属互连无法满足需求，必须的重要因素，单层金属互连无法满足需求，必须 使用多层金属互连技术。使用多层金属互连技术。 电子科技大学中山学院 多层金属互连技术对多层金属互连技术对VLSI的意义的意义 v可以使可以使VLSI的集成密度大大增加，从而进一步提的集成密度大大增

19、加，从而进一步提 高集成度。高集成度。 互连是器件之间的互连互连是器件之间的互连 v可以降低互连线导致的延迟时间可以降低互连线导致的延迟时间 v 可以在更小的芯片面积上实现相同的电路功能可以在更小的芯片面积上实现相同的电路功能 v 互连线每增加一层，需要增加两块掩膜版互连线每增加一层，需要增加两块掩膜版 oxm tt l RC 2 电子科技大学中山学院 多层互连的工艺流程多层互连的工艺流程 电子科技大学中山学院 平坦化平坦化 （a）无平坦化）无平坦化 （b）经部分平坦化后的介电层外）经部分平坦化后的介电层外 观观（CVD SiO2后回刻）后回刻） （c）具备局部平坦度的介电层）具备局部平坦度的

20、介电层 （使用牺牲层技术）（使用牺牲层技术） （d）具备全面性平坦度的介电）具备全面性平坦度的介电 层层 （CMP） 电子科技大学中山学院 平坦化平坦化 电子科技大学中山学院 CMP（IBM，1980） 电子科技大学中山学院 CMP 电子科技大学中山学院 CMP v工艺过程工艺过程 硅片被压在研磨盘上，硅片与研磨盘之间有一层研磨硅片被压在研磨盘上，硅片与研磨盘之间有一层研磨 剂，硅片与研磨盘都以一定速率转动，利用剂，硅片与研磨盘都以一定速率转动，利用研磨剂提研磨剂提 供的化学反应和硅片在研磨盘上承受的机械研磨，把供的化学反应和硅片在研磨盘上承受的机械研磨，把 硅片表面突出的部分除去硅片表面突出

21、的部分除去，最终实现平坦化。，最终实现平坦化。 v问题问题: 终点探测（需要使用中止层）终点探测（需要使用中止层） 研磨产物的清洗研磨产物的清洗 电子科技大学中山学院 改善台阶覆盖性的办法改善台阶覆盖性的办法 v保形覆盖的原因是反应物在吸附、反应时保形覆盖的原因是反应物在吸附、反应时 有显著的表面迁移，决定吸附原子迁移率有显著的表面迁移，决定吸附原子迁移率 的因素的因素 吸附原子的种类、能量吸附原子的种类、能量 衬底温度衬底温度 离子对吸附原子的轰击离子对吸附原子的轰击 v 反应室的类型和淀积环境反应室的类型和淀积环境 v BPSG回流回流 电子科技大学中山学院 v 真空蒸发，采用行星旋转式真

22、空淀积装置，通过真空蒸发，采用行星旋转式真空淀积装置，通过 蒸发源和衬底相对方向的连续改变，有效地消除蒸发源和衬底相对方向的连续改变，有效地消除 蒸发死角，从而增加薄膜的均匀度。蒸发死角，从而增加薄膜的均匀度。 vCMP工艺工艺 改善台阶覆盖性的办法改善台阶覆盖性的办法 电子科技大学中山学院 接触与互连的现状与发展接触与互连的现状与发展 v 现状现状 互连线密度大（占到芯片总面积的互连线密度大（占到芯片总面积的7080%） 连线的宽度窄（电阻增大，电流密度增加）连线的宽度窄（电阻增大，电流密度增加） v Al的问题的问题 电迁移严重、电阻率偏高、浅结穿透等电迁移严重、电阻率偏高、浅结穿透等 v Cu工艺问题工艺问题 电镀或化学镀的方法（与电镀或化学镀的方法（与CMOS工艺的兼容性不很好）工艺的兼容性不很好） PVD（生成的空洞多，抗电迁移性能差）（生成的空洞多，抗电迁移性能差） CVD（可靠性不好）（可靠性不好） 缺乏刻蚀工艺缺乏刻蚀工艺 v 低介电系数介质材料低介电系数介质材料 多孔电介质材料极脆，给集