《集成电路工艺原理》第九章金属化

1、第九章 金属化与多层互连技术本章主要内容集成电路工艺中对金属材料的要求目前使用最广泛的铝和铜多晶硅、锗硅等栅电极材料及硅化物多层金属互连工艺9.1 集成电路对金属化材料特性的要求一、金属及金属性材料1.按功能划分MOSFET栅电极材料MOSFET器件的组成部分，对器件的性能起着重要的作用。互连材料将同一芯片的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。2.常用金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等3.常用的金属性材料：掺杂的poly-Si、金属硅化物（PtSi、CoSi）、金属合金（AuCu、CuPt、TiB2 、ZrB2

2、 、TiC、MoC、TiN）二、集成电路对金属化的基本要求1.对P、N或poly-Si形成低阻欧姆接触，即硅/金属接触电阻越小越好；2.提供低阻互连线，从而提高集成电路的速度；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，即相互不扩散，即要求有一个扩散阻挡层。9.1.1 晶格结构和外延生长特性的影响影响单晶膜生长的主要因素：影响薄膜外延生长的重要因素：晶格常数失配因子：描述晶格结构的匹配程度。生长理想单晶薄膜的最好办法：外延生长9.1.2 电学特性必须考虑：电阻率、电阻率的温度系数、功函数、与半导体接触的肖特基势垒高度等。9.1.3 机械特

3、性、热力学特性及化学反应特性i固有应力 th 热应力 9.2 铝在集成电路制造中的应用9.2.1 金属铝膜的制备方法1.真空蒸发淀积电阻加热蒸发：利用难熔金属电阻丝（W）或电阻片（Mo）加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。电子束蒸发：利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。现在主要采用溅射法制备。9.2.2 Al/Si接触中的几个物理现象Al/Si相图：Al在Si中的溶解度非常低；Si在Al中的溶解度相对较高：400时，0.25wt%; 450时，0.5wt%；500时，0.8wt%。合金化原理：铝和硅（重掺杂1019）在300以上可以在界面形成硅铝合金，从而形成半导体和

4、金属的欧姆接触。铝硅合金工艺：500（577共熔点），1015分钟。 金和硅共熔点:370 合金气氛：真空或H2 , N2混合。Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中约大40倍（400500 ）。 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9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象定义：由于硅在接触孔内的不均匀消耗，即只通过几个点上消耗硅，致使有效面积远小于接触孔面积，而消耗掉的硅层厚度远大于均匀消耗的深度。这样，铝在某些接触点，像尖钉一样楔进到硅衬底中，从而使PN结失效。引起原因：硅在铝中有可观溶解度。主要影响

5、因素：Al-Si界面的氧化层厚度。 薄尖楔深度较浅 厚尖楔深度较大衬底晶向的影响：（100）大于（111）9.2.4 Al/Si接触的改进1.Al-Si合金金属化引线存在问题：硅的分凝，造成互连引线失效及引线键合变得困难。2.Al-掺杂poly-Si双层金属化结构方法：在淀积铝金属化薄膜前，先淀积一层重磷或重砷掺杂多晶硅薄膜，构成Al重磷（砷）掺杂poly-Si结构。优点： 抑制铝尖楔现象及析出硅引起的p+-n问题。 可以作为欧姆接触和互连引线，还可形成浅p+-n结。 可进行吸杂处理，改善pn结特性。注意：为保证有较低的欧姆接触，上述工艺必须在淀积多晶硅前，要彻底去除硅表面的薄氧化层。3.Al

6、-阻挡层结构方法：AI-薄金属层-Si阻挡层要求：能作为欧姆接触材料。典型工艺：PtSi，Pd2Si，CoSi2作为欧姆接触材料，TiN作为阻挡层。阻挡层作用：抑制尖楔，减小漏电流。图9.6其它减小铝尖楔问题方法减小铝体积：Al/阻挡层/ Al-Si-Cu降低硅在铝中的扩散系数:设法降低硅在铝晶粒间界的扩散系数和减小扩散通道。9.2.5 电迁移现象及改进电迁移机理：在大电流密度作用下，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。迁移使金属离子在阳极端堆积，形成小丘或，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。电迁移现象的表征中值失效时间MTF，即50互连线失效的时间。

7、MTF与引线截面积成正比，反比于质量输运率。改进电迁移的方法a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。图9.7b.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。9.3 铜及低K介质9.3.1 互连引线的延迟时间1.RC常数2.关键技术：金属Cu的淀积技术低K介质材料的选择和淀积技术势垒层材料的选择和淀积技术Cu的CMP平整化技术互连集成工艺中的清洁工艺大马士革结构的互连工艺低K介质和Cu互连技术中的可靠性问题9.3.2 以铜作为互连材料的工艺流程大马士革工艺工艺特点：对任何一层进行互连材料淀积的同时，也

8、对该层与下层之间的通孔（Via）进行填充， 而CMP工艺只对导电金属层材料进行。图9.8 典型工艺流程图9.3.3 低K介质层材料和淀积技术介电常数比SiO2低的介质材料，介电常数小于3.5工艺： 旋涂工艺（Spin On） CVD工艺目前研究的低K介质材料，按K值分为三类： 1.K=2.5-2.8 2.K=2.8-3.5 3.K2.0低K介质材料的清洗工艺：干法和湿法9.5 大规模集成电路与多层互连 决定芯片面积的主要因素：互连线所占面积多层布线是高集成度的必然。第一层：基本单元布线；第二层：单元之间电路布线；介质：SiO2 ， P S G ，Al2O3 ，聚铣亚铵1.对布线材料的要求导电性

9、好；欧姆接触好；与绝缘介质层的粘附性好；对介质腐蚀液的抗蚀性好；热匹配好。常用材料：Al、Al合金、Cu、MoSi等。2.对绝缘介质的要求绝缘性好；较高的介电强度和较低的介电常数；理化性能稳定；杂质离子的迁移率小；易刻蚀常用材料：SiO2、Al2O3、PSG、聚铣亚铵3.影响多层布线质量的因素 通孔：孔中残留的介质层；通孔过腐蚀。 解决：反应离子刻蚀 介质层：绝缘层上的针孔；金属与绝缘层的热不匹配；介质层的介电强度过低； 解决：复合介质层 台阶覆盖：随布线层数增加，台阶密度和高度明显增大。 解决：减薄介质层厚度；涂层形成等平面；通孔台阶减缓。9.5.3 多层互连的工艺流程9.5.4 平坦化目的

10、：减小或消除台阶的影响，改善台阶覆盖的效 果。图9.22 不同程度平坦化四类平坦化技术：第一类：仅使锐利的台阶变平滑；图9.22b第二类：不仅使锐利的台阶变平滑，同时台阶高度减小，再淀积一层半平坦化的介质层作为覆盖层；图9.23第三类：使局域达到完全平坦化，使用牺牲层技术可实现；图9.22d 图9.24第四类：CMP。 图9.22e9.5.5 CMP工艺 图9.25基本工艺元素：磨盘和磨料基本工艺过程：利用电机装置推动磨盘并辅以磨料，通过磨盘的力学作用和磨料的化学作用，首先使被磨抛的材料表面形成易于磨蚀的薄膜层，然后利用磨料中摩擦剂的摩擦作用磨蚀掉。CMP机制：金属薄膜表面形成氧化物，利用CMP磨料中的摩擦剂将形成的氧化物磨蚀掉。主要问题： CMP终点探测；研磨产物的清洗例子：Cu互连的CMP工艺 P3069.5.6 接触孔及通孔的形成和填充