第九章金属化与多层连接1

第九章金属化与多层互连9.1引言

金属化：金属及金属材料在集成电路技术中的应用。根据金属在集成电路中的功能划分，可以分为三类：

互连材料——将同一芯片的各个独立的元器件连接成为具有一定功能的电路模块。要求电阻率要小，易于淀积和刻蚀，好的抗电迁移特性。

互连连线是金属化工艺的主要组成部分；大部分使用铜铝合金；钨插塞是80与90年代技术；Ti焊接层；TiN,阻挡、附着层；未来使用铜；接触材料——直接与半导体接触的材料，以及提供与外部连接的连接点。（接触孔（Contact）、通孔（

via）)

要求好的接触界面性和稳定性、接触电阻要小、在半导体中的扩散系数要小，好的化学稳定性。MOSFET栅电极材料——作为MOSFET器件的一个组成部分，对器件的性能起着重要作用。

要求与栅氧化层之间具有良好的界面特性和稳定性；合适的功函数。9.1集成电路对金属化材料特性的要求

1较低的欧姆接触电阻，能提供低阻的互连线；

2抗电迁移性能要好；

3与绝缘体有良好的附着性；

4耐腐蚀；

5易于淀积和刻蚀；

6易于键合，而且键合点能经受长期工作。

7多层互连要求层与层之间的绝缘性要好，不相互渗透和扩散，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使薄膜和衬底材料晶格结构匹配，选用晶格常数失配因子小的材料（合金材料)。采用外延生长消除缺陷，得到异质外延薄膜（肖特基二极管）。9.1.2电学特性

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。9.1.3机械特性、热力学特性以及化学特性考虑金属薄膜在衬底中的扩散，与衬底间的固有应力，表面张力、热应力。注：热应力导致互连线出现空洞，电迁移也与应力有关。9.2铝在集成电路技术中的应用

铝的优点：电阻率低、欧姆接触电阻低；与硅和磷硅玻璃的附着性好；易于淀积和刻蚀。9.2.1金属铝膜的制备方法采用溅射法制备（PVD)

9.2.2Al/Si接触中的几个物理现象

1）Al-Si相图铝硅不能形成硅化物，但可以形成合金。铝在硅中的熔解度低。硅在铝中的熔解度高，因此硅原子会熔到铝中。2)Si在Al中的扩散系数硅在铝薄膜中的扩散系数比在晶体铝中约大40倍。因铝膜多为多晶，杂质在晶粒间界的扩散系数大于晶体内的扩散系数。3）Al与SiO2的反应

铝与二氧化硅生成Al2O3,这个现象在集成电路中的应用十分重要。

9.2.3Al/Si接触中的尖楔现象由于硅在铝中有可观溶解度，这样导致铝硅接触出现尖楔现象。消耗硅的体积：消耗硅层厚度：当消耗的硅运动到铝中后，铝填充硅离开留下的空间。当消耗的硅的厚度大到一定程度，由铝填充后，就会导致PN结短路。实际情况，硅在接触孔内并不是均匀消耗，实际消耗硅的面积远远小于实际接触面积，这样使消耗深度Z远大于均匀深度。铝就在某些接触点，像尖钉一样楔进到Si衬底中去，使PN结失效。影响“尖楔”深度和形状因素：

1铝硅界面的氧化层厚度。（氧化层厚度薄，深度浅（均匀消耗）；氧化层厚度厚，深度深（不均匀消耗）。

2硅衬底的影响。（100）垂直扩散，容易PN结短路；（111）横行扩展，尖楔多半为平底。9.2.4Al/Si接触的改进

1Al－Si合金金属化引线

采用铝硅合金代替纯铝作为接触和互连材料，防止尖楔现象。

问题：出现分凝现象。即，在较高合金退火温度时熔解在铝中的硅，在冷却过程中又从铝中析出。该现象产生一个个硅单晶的结瘤。影响器件的可靠性，有可能导致互连线短路。

铝－掺杂多晶硅双层金属化结构观察一个现象：铝与未掺杂多晶硅接触时，会发生多晶硅重组现象。然而，掺杂（重磷（砷））的多晶硅，这种重组现象不存在。这可能与磷在多晶硅晶粒间界中分凝，使晶粒间界中的硅原子的自由能减少，降低了硅原子在铝中的溶解度。3AI/Si阻挡层结构另一种限制尖楔的措施，就是在铝与硅之间淀积一薄膜金属层，阻止铝与硅之间的作用，这层金属就是阻挡层。一般采用硅化物：PtSiCoSi2等作为欧姆接触材料，采用TiN作为阻挡层。阻挡层结构可以显著减小漏电流。9.2.5电迁移现象及其改进方法

1电迁移现象的物理机制所谓电迁移现象，就是一种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方向进行的，结果在一个方向形成空洞，而在另一个方向由于铝原子的堆积形成小丘。在互连线中会引起开路与短路两种现象。电迁移本质是导体原子与通过该导体电子流之间的相互作用，当一个铝金属离子被热激发处于晶体点阵电位分布的谷顶的时候，它将受到两个方向相反的作用力：A)静电作用力，方向沿着电场（电流）的方向。B)由于导电电子与金属原子之间的碰撞引起的相互间的动量交换，称之为“电子风”，方向沿电子流方向。2中值失效时间表征电迁移现象的物理量是互连引线的中值失效时间MTF(mediatimetofailure),即50％互连引线失效时间，其值正比于引线截面积，反比于质量输运率3改进电迁移的方法

1）结构的影响和“竹状”结构的选择

MTF随着铝线宽度的减小和长度的增加而降低。“竹状”铝引线结构，组成多晶体的晶粒从下而上贯穿引线截面，晶粒间界垂直于电流的方向，所以晶粒间界的扩散不起作用。为了使铝引线能生长为“竹状”结构，就要求在合金退火之前进行光刻，使金属化引线条宽很窄，有助于铝晶粒垂直生长，使之形成“竹状”结构。2）Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金在铝中附加合金成分，这些杂质在铝的晶粒间界分凝可以降低铝原子在铝晶粒间界的扩散系数，从而提高MTF。Al-Si-Cu合金缺点：会增加电阻率，不易刻蚀。3）三层夹心结构在两层铝薄膜之间增加一个过渡金属层可以改善铝电迁移。9.3铜及低K介质降低互连线延迟时间的一个重要方法就是使用新型材料，使用低K材料作为介质层，如铜。铜的电阻率低，抗电迁移性能好，没有应力迁移，可靠性高。9.3.1互连线的延迟时间表征互连线延迟时间的物理量为RC常数。铜互连工艺关键技术：

1金属铜的淀积技术

2低K介质材料的选择和淀积技术

3势垒层材料的选择和淀积技术

4铜的CMP(化学机械抛光）平整化技术

5互连集成工艺中的清洁工艺

6大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺

7低K介质和铜互连技术的可靠性问题。9.3.2以铜作为互连材料的工艺流程1在前层的互连层平面上淀积一层薄的刻蚀停止层，如Si3N4Si3N42淀积厚的介质（绝缘）层材料，如SiO2或低K介质SiO2光刻胶3形成刻蚀引线沟槽的光刻胶掩膜图形光刻胶4以光刻胶作为掩膜在介质层上刻蚀引线沟槽5去光刻胶6形成刻蚀通孔的光刻胶掩膜图形7刻蚀通孔，停在刻蚀停止层8去掉光刻胶9去掉刻蚀停止层10溅射金属势垒和Cu籽晶层11金属填充通孔12CMP金属层9.3.3低K介质层材料和淀积技术采用低K互连介质可以在不降低布线密度的条件下，有效降低寄生电容C,减少RC互连延迟时间，提高速度。除了以上，还必须满足以下条件：

1拥有足够好的材料特性、热性能、介电性能和力学性能。

2与其他的互连材料，如Cu及势垒层材料兼容。

3能够与IC工艺兼容。

4高纯度的淀积，且工艺成本低。

5能够在特定工作条件下，在器件寿命周期间内高可靠性工作主要淀积K介质的工艺有：旋涂工艺（spinon)和CVD工艺。对低K介质刻蚀，要求：

1与低K介质材料工艺兼容；

2对刻蚀停止层材料有高的选择性；

3能形成垂直图形；

4对Cu无刻蚀和腐蚀；

5刻蚀的残留物易于清洗。（清洗工艺有干法和湿法两种）9.3.4势垒层材料技术势垒层包括介质势垒层和导电势垒层两种。主要功能：防止铜扩散和改善铜的附着性、作为CMP和刻蚀工艺的停止层、保护铜薄膜和低K介质层不受工艺和环境等因素造成的氧化和腐蚀等效应。介质势垒层材料选择要求：介电常数要低、刻蚀选择性和抗扩散性能好。如SiC

金属势垒层材料(阻挡层金属)选择要求：保形的通孔和沟槽淀积性能；好的势垒性能；低的通孔电阻；与铜有好的黏附性；与铜的CMP工艺兼容。如：WN、TiN9.3.5金属Cu的淀积技术采用大马士革（镶嵌）工艺进行Cu布线。过程与上述相似。9.3.6低K介质和Cu互连集成技术中的可靠性问题可靠性问题涉及：电迁移、应力迁移、热循环稳定性、介电应力、热导率。9.4多晶硅及硅化物多晶硅可作为CMOS工艺中的栅材料和作为局部互连材料。多晶硅栅技术最主要特点就是源漏自对准。硅栅的制造过程是先生长栅氧化层，紧接着淀积多晶硅，光刻成栅极，然后以多晶硅栅和其下面的SiO2绝缘层作为扩散（或离子注入）掩蔽层，扩散或离子注入，形成源漏区，同时又对多晶硅栅极和多晶硅互连引线进行掺杂、因而实现了源、栅、漏的自动排列，去除了铝栅工艺中为保证完全覆盖源、漏区而设计的套刻所引起的栅－源、栅－漏的重叠部分，只存在横行扩散效应引起的重叠。

SDG金属栅SDG硅栅G9.4.1多晶硅薄膜的制备方法采用LPCVD方法，温度600～650℃，用硅烷热分解淀积。

SiH4－>Si+2H29.4.2多晶硅互连及其局限性电阻率过高，只能用作局部互连。9.4.3多晶硅氧化单晶硅氧化模型同样适用于多晶硅的氧化情况。多晶硅是由许多大小不等、晶向不同的晶粒所组成，因此存在晶粒间界。晶粒间界是一个具有高密度缺陷和悬挂键的区域。由于各个晶粒之间的晶向不相同，氧化后，使多晶硅表面上的氧化层厚度存在差别（线性氧化决定）。但对于厚膜氧化，氧化速率差异就会消失，这由抛物线氧化决定，与晶向无关。

9.4.4难熔金属硅化物的应用硅化物具有低的、类金属的电阻率，高温稳定性好，抗电迁移性能好。可以直接在多晶硅上淀积难熔金属，加热形成硅化物，工艺与现有硅栅工艺兼容。9.4.5硅化物的淀积方法

1共溅射方法

2共蒸发方法

3在多晶硅衬底上溅射或蒸发单层难熔金属，在退火过程，难熔金属与多晶硅反应生成硅化物。

4合金溅射

5化学气相淀积硅化物。

9.4.6硅化物的形成机制真正要形成硅化物,还必须有一个高温加热过程即退火过程,使金属与硅反应生成硅化物.自对准硅化钛形成9.4.7硅化物特性硅化物晶体结构基本有三种结构：四方、六方、正交晶系。硅化物具有良好的导电性，导电机构类似于金属,其电导率一般比相应金属低。9.4.8硅化物的氧化

硅化物可用在集成电路栅和互连材料关键因素之一是因为难熔金属硅化物能氧化成稳定、致密的氧化层。难熔金属硅化物的氧化是硅原子扩散通过硅化物，在硅化物－SiO2界面氧化成SiO2，其过程如下：

1）硅衬底释放硅原子的反应过程；

2）由硅衬底提供的硅原子扩散通过硅化物层到达硅化物－SiO2界面；

3)氧化剂分子扩散通过已生成的SiO2层；

4）氧化剂在硅化物－SiO2界面上与硅原子反应生长SiO2.9.4.9多晶硅/硅化物复合栅结构难熔金属硅化物/多晶硅双层结构在栅和内部互连的应用中可使互连电阻降低；硅化物接触电阻率低；做栅的优势：利用良好的多晶硅/SiO2界面特性、硅栅器件的可靠性和稳定性，又可以使引线电阻降低。9.5平坦化及多层互连线工艺集成电路集成度的提高，芯片表面无法提高足够的面积制作所需内连线时，为配合MOS晶体管缩小后所增加的内连线需求，考虑多层金属互连技术。(意义)两层金属之间必须有绝缘体进行隔离，这种隔离层的介电材料（Dielectrics),称为金属间介电层（Inter-MetalDielectrics)。连接两层金属的物质就是插塞。9.5.1多层互连的工艺流程器件制备淀积绝缘介质层平坦化处理接触孔及通孔的形成金属化最后淀积钝化层多层金属布线工艺潜在问题：一般平坦的介电层很困难，且容易发生孔洞（Voids)现象。尤其是随晶片表面金属层而产生高低起伏的介电淀积层。因为淀积层不平坦，将使得接下来第二层金属层的光刻工艺在曝光聚焦上有困难，而影响光刻影像传递的精确度与解析度、再加上金属层淀积与刻蚀所遭遇的困难度，严重挑战大规模集成电路的制造。9.5.2平坦化工艺所谓的平坦化，就是把随晶片表面起伏的介电层加以平坦化的一种半导体工艺技术。

(a)刚沉积在有高低起伏的晶片表面的介电层截面(b)经部分平坦化后的介电层(c)具备局部平坦化的介电层(d)具备全局平坦化的介电层平坦化技术分类：按照图（b）的箭头所指的部分上淀积或覆盖一层SiO2，这么一来，便能得到制作下一层金属互连线时所需的局部或整个平面的介电层平坦度。这种制作方式就是“旋涂式玻璃（Spin-OnGlass”，这种工艺只能进行局部平坦。整个平面的介电层平坦化，需采用”化学机械抛光法(chemicalmechanicalpolishing）“的平坦化技术。SOG平坦化过程

SOG制造过程基本分为涂布与固化两个阶段；前