半导体互连学习教案

1、会计学1半导体互连半导体互连第一页，共51页。第1页/共50页第二页，共51页。第2页/共50页第三页，共51页。什么是集成电路什么是集成电路(jchng-dinl)互连技术？互连技术？所谓的集成电路所谓的集成电路互连技术，就是互连技术，就是将同一芯片将同一芯片(xn pin)内各个独立内各个独立的元器件通过一的元器件通过一定的方式，连接定的方式，连接成具有一定功能成具有一定功能的电路模块的技的电路模块的技术。术。第3页/共50页第四页，共51页。第4页/共50页第五页，共51页。电迁移电迁移(qiny)现象：现象：金属化引线中的电迁移现象是一种金属化引线中的电迁移现象是一种在大电流密度作用下

2、的质量输运现在大电流密度作用下的质量输运现象。质量输运是沿电子流动象。质量输运是沿电子流动(lidng)方向进行的，结果在一个方向进行的，结果在一个方向形成空洞，而在另一个方向则方向形成空洞，而在另一个方向则由于金属原子的堆积形成小丘。前由于金属原子的堆积形成小丘。前者将使互连引线开路或断裂，而后者将使互连引线开路或断裂，而后者会造成光刻的困难和多层布线之者会造成光刻的困难和多层布线之间的短路。间的短路。电迁移现象是集成电路电迁移现象是集成电路(jchng-dinl)制造中制造中需要努力解决的一个问需要努力解决的一个问题。特别是当集成度增题。特别是当集成度增加，互连线条变窄时，加，互连线条变窄

3、时，这个问题更为突出。这个问题更为突出。第5页/共50页第六页，共51页。第6页/共50页第七页，共51页。ILD-4ILD-5ILD-6Top NitrideBonding pad Metal-5 (Aluminum)Metal-4Via-4Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.Metal-3第7页/共50页第八页，共51页。AlSiAl/Si接触接触(jich)中的尖楔现象中的尖楔现象尖楔现象所引发的问题：尖楔现象所引发的问题：一般一般Al/Si接触中的尖楔接触中的尖楔长度可以达

4、到长度可以达到1m，而集成电路中，而集成电路中有源区的厚度一般都在纳米级别有源区的厚度一般都在纳米级别。因此尖楔现象的存在可能使某。因此尖楔现象的存在可能使某些些PN节失效。节失效。第8页/共50页第九页，共51页。一种方法一种方法(fngf)(fngf)是在是在AlAl中掺入中掺入1-2% Si1-2% Si以满足溶解性以满足溶解性另一种方法另一种方法(fngf)(fngf)是利用扩散阻挡层是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )( Diffusion Barrier )常用扩散阻挡层：常用扩散阻挡层：TiN, TiWTiN, TiW较好的方法较好的方法(fngf)(fng

5、f)是采用阻挡层是采用阻挡层, Ti , Ti 或或 TiSi2 TiSi2有好的接触和黏附性有好的接触和黏附性,TiN ,TiN 可作为阻挡层可作为阻挡层解决解决(jiju)尖楔现象所引发的问题尖楔现象所引发的问题第9页/共50页第十页，共51页。第10页/共50页第十一页，共51页。金属为良导体时，静电作用力将减小，电子金属为良导体时，静电作用力将减小，电子(dinz)风作用力将起主要作用。风作用力将起主要作用。第11页/共50页第十二页，共51页。对于对于“竹状竹状“结构的铝引线，与结构的铝引线，与常规引线不同，组成多晶体的晶常规引线不同，组成多晶体的晶粒从下而上贯穿引线截面，整个粒从下

6、而上贯穿引线截面，整个引线截面图类似与许多引线截面图类似与许多”竹节竹节“的一条竹子，晶粒间界垂直于电的一条竹子，晶粒间界垂直于电流方向，所以晶粒间界的扩散不流方向，所以晶粒间界的扩散不起作用，铝原子在铝薄膜中的扩起作用，铝原子在铝薄膜中的扩散系数和在单晶体中类同散系数和在单晶体中类同(li tn)。从而可以使金属互连线的。从而可以使金属互连线的MTF（Median Time to Failure）值提高两个量级。）值提高两个量级。“竹状竹状“结构结构常规结构常规结构第12页/共50页第十三页，共51页。第13页/共50页第十四页，共51页。IBM利用亚技术制备的6层Cu互连表面(biomin

7、)结构的SEM图第14页/共50页第十五页，共51页。ngchn)中使用铜金属材料。特别是大马士革工艺的开发背景耐人寻味。一开始都想在铜刻蚀上取得突破，但无一例外地以失败而告终。正当人们为不同地结构和几乎要改变所有的设备的时候，大马士革工艺技术取得重大进展。1997年9月，IBM宣布了在生产(shngchn)线引入铜大马士革技术的消息。Motorolan紧接着在MOS工艺中应用铜技术，并于1999年3月开始批量供货。同一年，IBM在m的ASIC制造线上引入低介电常数材料，在有效沟道长度为m的器件上，获得了速度加快30%和功耗下降50%的优异成绩。第15页/共50页第十六页，共51页。一场革命。

8、由此带来了设计、设备、工艺(gngy)、材料、可靠性以及工艺(gngy)线管理等方面的巨大变化。从技术层面上来说，涉及工艺(gngy)线后段从光刻、等离子刻蚀、铜金属化、化学机械抛光、多层介质、清洗，直到工艺(gngy)集成的所有模块。n随着设计的进一步缩小，金属布线层不断增加，随之而来的互联延迟也随之加大。第16页/共50页第十七页，共51页。大马士革结构（Damascene）业已成为在深亚微米阶段前段工艺的又一新的标志，并将发展成为超大规模集成电路工业(gngy)新的国际标准。第17页/共50页第十八页，共51页。材料的电阻率nl：金属连线的长度nw：金属连线的宽度(kund)nh：金属连

9、线的厚度第18页/共50页第十九页，共51页。可以降低总的互联电阻，进而达到降低互联延迟的目的n如何选择适合上述要求的金属材料(cilio)，表1列出了常用的金属互联线材料(cilio)的主要性能。从表中可以看出，Al是一种较好的导电材料(cilio)，实际上Al已经用了好几十年，但是Al的致命弱点是抗电迁移性能差；Au的电阻率最高；Ag虽然具有最低的电阻率，但是，抗电迁移性可靠性方面表现较差。Cu在机械和电学特性两方面都有良好的表现；电阻率仅为Al 的60%、熔点最高、热功耗低、抗电迁移性能好n（铜的激活能为0.8eV Al的激活能0.5eV )。第19页/共50页第二十页，共51页。表1

10、几种(j zhn)常用互联金属材料特性第20页/共50页第二十一页，共51页。决不是简单的一句话能解决的。初期用铜代替Al合金，特别是上层的较长连线和电源线部分。铜确实比Al的电阻小30%,而且抗电迁移性能好得多，也就是说，在集成度增加的情况(qngkung)下，铜能通过更大的电流密度，然而，横向金属连线之间的电容的减小，要用更薄的金属连线或者采用更复杂的工艺，例如在金属连线之间加低介电常数的材料。第21页/共50页第二十二页，共51页。刻和刻蚀上存在的问题，物理汽相淀积（PVD）设备和工艺的不断完善，并成功(chnggng)应用于阻挡层（Barrier）和铜子晶（Cu-Seed）淀积，加上铜

11、电镀的不断完善以及化学机械抛光（CMP）在铜工艺线的成功(chnggng)应用，使得铜正在逐步替代铝在半导体金属互联上的地位。据预测由于铜大马士革工艺简化了总的流程步骤，使总成本下降20%到30%以上，设备拥有成本也大幅度下降。第22页/共50页第二十三页，共51页。能在铜金属布线工艺中得以推广还是近几年的事情，铜电镀的重要优点是：n（1）淀积条件易于控制；n（2）淀积速度较快，可以350nm/min；n（3）与低介电常数介质材料(cilio)有良好兼容性，因为铜电镀是在低温（通常为室温）、常压的条件下进行。第23页/共50页第二十四页，共51页。极（表面淀积有一层铜子(tnz)晶的硅片）组成

12、。电镀液主要是CuSO4，H2SO4，Cl-1和添加剂，在负极的化学反应式为：nCu2+ 2eCu第24页/共50页第二十五页，共51页。铜电镀(dind)槽示意图第25页/共50页第二十六页，共51页。=），特别是孔或金属槽的底部、侧壁和上部。主要因素有电镀化学试剂成份(chng fn)、外加电场的波形、电流、孔和槽的形状以及PVD淀积铜子晶的质量。通常，侧壁和底部的空洞是由于铜子晶覆盖不完整造成的。第26页/共50页第二十七页，共51页。槽还没有填满之前，上部已经封口子夹断（Pinch-off），造成中间空洞。n除了要求PVD淀积阻挡层和铜子晶的台阶覆盖性好，连续之外，铜电镀工艺本身也在做

13、不断的改进。主要有两方面(fngmin)：一是添加其他有机物添加剂；二是采用外加电场并对电流波形进行调制。第27页/共50页第二十八页，共51页。选择性地提高(t go)CD比较大的图形的铜淀积速率，一般的解释是由于有机物添加剂含有大量的催化剂和抑制剂，以降低顶部的淀积速率、提高(t go)孔和金属槽底部的淀积速率。n在正、负电极之间加波形电场，有两种方式，一是加脉冲波形，另一种是加多级直流电场。第28页/共50页第二十九页，共51页。一种一种(y zhn)3(y zhn)3参数参数2 2级直流电场示意图级直流电场示意图第29页/共50页第三十页，共51页。换，最终达到消除空洞的目的。负电场明

14、显改进图形侧壁的平均淀积速率，其产生的铜离子梯度分布加快底部的淀积速度。人们研究发现脉冲电场与低的正向电流(dinli)相结合，可以显著改进电镀铜在孔颈部位的夹断现象，从而减小中间空洞。第30页/共50页第三十一页，共51页。层、铜电镀以外，还有很重要的铜退火和铜化学机械抛光（CMP），这些工序对铜互联线的质量(zhling)也至关重要。从可靠性的角度来看，铜阻挡层、子晶的连续性、电镀铜的无孔性、铜晶粒的大小、退火的条件（温度、时间、气氛）以及铜CMP的质量(zhling)，都影响到铜金属布线的电迁移水平。许多半导体生产厂家为了把铜引入生产线，为解决器件性能和可靠性作了大量的探索第31页/共5

15、0页第三十二页，共51页。的影响，特别是片间、片内、芯片内非均匀性容易造成后续的铜CMP工艺中凹陷（dishing,在图形低密度区域）和侵蚀（erosion，图形高密度区），许多(xdu)半导体生产厂家采用铜膜厚总偏差来控制铜电镀层的质量。第32页/共50页第三十三页，共51页。dun)缩小，人们将不得不面临新的、更多的挑战。如此同时，新设计、新工艺、新设备、新材料和新的检测手段将不断(bdun)推出，可以预料铜工艺技术将会得到进一步的发展。第33页/共50页第三十四页，共51页。第34页/共50页第三十五页，共51页。以以Cu作为互连材料作为互连材料(cilio)的工艺流程的工艺流程淀积刻蚀

16、停止淀积刻蚀停止(tngzh)层层淀积介质淀积介质(jizh)材料材料光刻引线沟槽图形光刻引线沟槽图形刻蚀引线沟槽刻蚀引线沟槽去掉光刻胶去掉光刻胶光刻通孔图形光刻通孔图形刻蚀通孔刻蚀通孔去掉光刻胶去掉光刻胶去掉刻蚀停止层去掉刻蚀停止层溅射势垒和籽晶层溅射势垒和籽晶层金属填充通孔金属填充通孔CMP金属层金属层第35页/共50页第三十六页，共51页。37 第36页/共50页第三十七页，共51页。第37页/共50页第三十八页，共51页。第38页/共50页第三十九页，共51页。40 第39页/共50页第四十页，共51页。41阻挡层金属阻挡层金属铜铜 铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种铜在硅和二氧

17、化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将破坏高扩散率将破坏(phui)(phui)器件的性能。可淀积一层器件的性能。可淀积一层阻挡层金属，作用是阻止层上下的材料互相混合（阻挡层金属，作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚度对见下图）。其厚度对mm工艺来说为工艺来说为100nm100nm；对；对mm工工艺来说为艺来说为400400600nm600nm。铜需要由一层薄膜阻挡层完全铜需要由一层薄膜阻挡层完全(wnqun)(wnqun)封闭起来，这层封闭起来，这层封闭薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。封闭薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。第40页/共50页第四十一页，共51页。42铜铜钽

18、钽第41页/共50页第四十二页，共51页。43 第42页/共50页第四十三页，共51页。第43页/共50页第四十四页，共51页。第44页/共50页第四十五页，共51页。在导体中，电子在电场的作用下进行扩散在导体中，电子在电场的作用下进行扩散(kusn)运动，运动，电场强度决定电子的密度，即电流密度，这就是电子的扩电场强度决定电子的密度，即电流密度，这就是电子的扩散散(kusn)输运模式。若一个导体的长度小于载流子的平输运模式。若一个导体的长度小于载流子的平均自由程，那么载流子在输运的时候就有可能直接通过导均自由程，那么载流子在输运的时候就有可能直接通过导体，而不会受到散射的影响，载流子的这种传输就叫做弹体，而不会受到散射的影响，载流子的这种传输就叫做弹道输运。碳纳米管的电子平均自由程约为（室温下金属道输运。碳纳米