第九章-金属化与多层互连

第九章_金属化与多层互连第一页，共42页。第九章金属化与多层互连金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。金属化材料分类：（按功能划分）①MOSFET栅电极材料－MOSFET器件的组成部分；②互连材料－将各个独立的元件连接成为具有一

定功能的电路模块。③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。第二页，共42页。互连材料－Interconnection互连在金属化工艺中占有主要地位Al-Cu合金最为常用W塞（80s和90s）Ti：焊接层TiN：阻挡、黏附层未来互连金属－－Cu第三页，共42页。CMOS标准金属化互连：Al-Cu合金接触孔与通孔：金属W（Ti/TiN/W）Ti/TiN：焊接层、阻挡层、防反射层电极材料：金属硅化物，如TiSi2第四页，共42页。9.1集成电路对金属化的基本要求1.形成低阻欧姆接触；2.提供低阻互连线；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。第五页，共42页。9.2

金属化材料及应用常用金属材料：

Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等常用的金属性材料：1）掺杂的poly-Si；2）金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2、TiSi2；3）金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、TiB2、SiGe、ZrB2

、TiC、MoC、TiN。第六页，共42页。1、多晶硅－栅和局部互连，－70s中期后代替Al作为栅极，－高温稳定性：满足注入后退火的要求，Al不能自对准－重掺杂，LPCVD淀积2、硅化物－电阻率比多晶硅更低，－常用TiSi2,WSi2和CoSi29.2金属化材料及应用第七页，共42页。自对准形成硅化钛9.2

金属化材料及应用2、硅化物第八页，共42页。3、铝（Al）最常用的金属导电性第四好的金属

–铝2.65μΩ-cm

–金2.2μΩ-cm

–银1.6μΩ-cm

–铜1.7μΩ-cm1970s中期以前用作栅电极金属9.2金属化材料及应用第九页，共42页。4、钛Ti：硅化钛、氮化钛1）阻挡层：防止W扩散2）粘合层：帮助W与SiO2表面粘合在一起3）防反射涂层ARC（Anti-reflectioncoating），防止反射提高光刻分辨率Ti/TiN的作用：9.2

金属化材料及应用第十页，共42页。5、钨W•

接触孔和通孔中的金属塞•

接触孔变得越来越小和越窄•PVDAl合金:台阶覆盖性差，产生空洞•CVDW:出色的台阶覆盖性和空隙填充能力•CVDW：更高电阻率:8.0-12mW-cmPVDAl合金(2.9-3.3mW-cm)•W只用作局部互连和金属塞9.2

金属化材料及应用第十一页，共42页。接触工艺的演变9.2

金属化材料及应用第十二页，共42页。W钨CVDW原料：WF6先与SiH4反应形成W淀积的核层:2WF6(g)

+3SiH4→2W(s)+3SiF4(g)+6H2再与H2反应淀积W:WF6(g)

+3H2→W(s)+6HF(g)需要TiN/Ti层与氧化物黏附WPlugandTiN/Ti

Barrier/AdhesionLayer第十三页，共42页。6、铜•Lowresistivity(1.7mW×cm),

–lowerpowerconsumptionandhigherICspeed•Highelectromigrationresistance

–betterreliability•Pooradhesionwithsilicondioxide•Highlydiffusive,heavymetalcontamination•Veryhardtodryetch

–copper-halogenhaveverylowvolatility9.2

金属化材料及应用第十四页，共42页。9.3Al的性质及现象电阻率：Al为2.7μΩ/cm，（Au2.2μΩ/cm，Ag1.6μΩ/cm，Cu1.7μΩ/cm）Al合金为3.5μΩ/cm；溶解度：Al在Si中很低，Si在Al中相对较高，如400℃时，0.25wt%；450℃时，0.5wt%；500℃时，0.8wt%；Al-Si合金退火：相当可观的Si溶解到Al中。9.2.1Al的性质第十五页，共42页。9.2.2Al/Si接触的物理现象①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低；Si在Al中的溶解度相对较高：

②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中

大40倍。③Al与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3好处：降低Al/Si欧姆接触电阻；

改善Al与SiO2的粘附性。9.3Al的性质及现象第十六页，共42页。9.2.3Al/Si接触的尖楔现象图9.3Al-Si接触引线工艺T=500℃，t=30min.，A=16μm2，W=5μm，d=1μm，消耗Si层厚度

Z=0.35μm。（相当于VLSI的结深）∵Si非均匀消耗，∴实际上，A*<<A，即Z*>>Z，故Al形成尖楔9.3Al的性质及现象第十七页，共42页。尖楔机理：Si在Al中的溶解度及快速扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬底；深度：超过1μm；特点：<111>衬底：横向扩展<100>衬底：纵向扩展MOS器件突出。改善：Al中加1wt％-4wt％的过量Si9.2.3Al/Si接触的尖楔现象9.3Al的性质及现象第十八页，共42页。9.2.4电迁移现象及改进电迁移：大电流密度下，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。现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。改进电迁移的方法a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。b.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500Å的金属过渡层，

如Ti、Hf、Cr、Ta。d.新的互连线：Cu9.3Al的性质及现象第十九页，共42页。9.4Cu及低K介质9.4.1问题的引出：

互连线延迟随器件

尺寸的缩小而增加；

亚微米尺寸，互连延

迟大于栅（门）延迟第二十页，共42页。9.4Cu及低K介质9.4.2如何降低：RC常数：表征互连线延迟，即。ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数

①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm；（Al，ρ=2.82μΩcm）②低K（ε）的介质材料：ε<3.5第二十一页，共42页。9.4.3Cu互连工艺的关键①Cu的淀积：不能采用传统的Al互连布线工艺。

（没有适合Cu的传统刻蚀工艺）②低K介质材料的选取与淀积：与Cu的兼容性，工艺兼容性，

高纯度的淀积，可靠性。③势垒层材料的选取和淀积：防止Cu扩散；CMP和刻蚀的停止层。④Cu的CMP平整化⑤大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺⑥低K介质和Cu互连的可靠性第二十二页，共42页。9.4.4Cu互连工艺流程第二十三页，共42页。9.4.5Cu的淀积主要问题：缺乏刻蚀Cu的合适的传统工艺。解决：大马士革镶嵌工艺流程：①在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽；②CVD淀积一层薄的金属势垒层：防止Cu的扩散；③溅射淀积Cu的籽晶层：电镀或化学镀Cu需要；④沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀；⑤400℃下退火；⑥Cu的CMP。第二十四页，共42页。铜金属化（CopperMetallization）第二十五页，共42页。多层Cu互连第二十六页，共42页。9.5多晶硅及硅化物多晶硅：CMOS多晶硅栅、局域互连线；9.5.1多晶硅栅技术特点：源、漏自对准CMOS工艺流程（图9.12）多晶硅栅取代Al栅：p沟道MOS器件的VT降低1.2-1.4V（通过降低ФMS）；VT降低提高了器件性能：①工作频率提高；②功耗降低；③集成度提高；多晶硅栅的优点：①实现自对准的源漏；②降低VT第二十七页，共42页。

互连延迟时间常数:RC=RL2εox/tox

R、l-

-互连线方块电阻和长度，

εox、tox-介质层的介电常数和厚度；局限性：电阻率过高，只能作局部互连；9.5.2多晶硅互连及其局限性9.5多晶硅及硅化物第二十八页，共42页。9.6VLSI与多层互连多层互连的提出：

互连线面积占主要；

时延常数RC占主要。第二十九页，共42页。互连引线面积与各种互连延迟第三十页，共42页。9.6.1多层互连对VLSI的意义1.提高集成度；2.降低互连延迟：3.降低成本（目前Cu互连最高已达10多层）9.6VLSI与多层互连第三十一页，共42页。平坦化的必要性9.6.2平坦化9.6VLSI与多层互连第三十二页，共42页。台阶的存在：如，

引线孔、通孔边缘；影响：薄膜的覆盖效果；改善：①改进薄膜淀积的工艺：行星旋转式真空蒸发装置；溅射替代蒸发；②PSG、BPSG回流；③平坦化工艺9.6.2平坦化9.6VLSI与多层互连第三十三页，共42页。BPSG回流工艺牺牲层工艺：

等离子刻蚀工艺，局域完全平坦化9.6.2平坦化第三十四页，共42页。9.6.3CMP工艺CMP：chemicalmechanicalplanarization化学机械平面化

或chemical-mechanicalpolishing化学机械抛光9.6VLSI与多层互连第三十五页，共42页。CMP的基本构成：①磨盘：聚亚胺酯薄片②磨料：a.反应剂：氧化剂；b.摩擦剂：SiO2CMP的基本机理：①金属被氧化，形成氧化物；②SiO2磨掉氧化物。9.6.3CMP工艺9.6VLSI与多层互连第三十六页，共42页。9.6.4CMOSIC的多层互连第三十七页，共42页。1）PECVDNitride9.6.4CMOSIC的多层互连2）PECVDUSG3）PECVDEtchStopNitride4）PECVDUSG第三十八页，共42页。5）PhotoresistCoating9.6.4CMOSIC的多层互连Via1Mask6）Via1MaskExposure

andDevelopment第三十九页，共42页。7）EtchUSG,