集成电路工艺原理7.ppt

1、集成电路工艺原理,第七章 金属互联,本章概要,引言 金属铝 金属铜 阻挡层金属 硅化物 金属淀积系统,7.1 引言,概述,金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程。金属线被夹在两个绝缘介质层中间形成电整体。高性能的微处理器用金属线在一个芯片上连接几千万个器件，随着互连复杂性的相应增加，预计将来每个芯片上晶体管的密度将达到10亿个。 由于VLSI组件密度的增加，互连电阻和寄生电容也会随之增加，从而降低了信号的传播速度。 减小互连电阻可通过用铜取代铝作为基本的导电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要低K值层间介质（ILD）。通过降低介电常数

2、来减少寄生电容。,7.1 引言,概述,特征尺寸的缩小将导致互连引线横截面面积和线间距的减小，电阻、电容、电感引起的寄生效应将会严重影响电路的性能，包括信号传输延迟的增加和信号传输畸变显著，使得互连性能降低。 实际上，当集成电路技术发展到深亚微米技术时代以后，互连已成为确定集成电路性能、封装密度、可靠性、生产率和成本的重要因素之一。当集成电路技术进入纳米技术时代时，互连将成为制约集成电路性能提高和成本下降的主要因素。需要指出的是，随着技术的进步和特征尺寸的缩小，互连引线间距的缩小和互连的密度的增加，所需要的互连引线的层数也增加。,7.1 引言,多层金属,7.1 引言,金属化概念,芯片金属化是指应

3、用化学或物理处理方法在芯片上淀积导电金属膜的过程。这一过程与介质的淀积紧密相关，金属线在IC电路中传输信号，介质层则保证信号不受邻近金属线的影响。 金属化对不同金属连接有专门的术语名称。互连（interconnect）意指由导电材料（铝、多晶硅或铜）制成的连线将信号传输到芯片的不同部分。互连也被用做芯片上器件和整个封装之间普通的金属连接。接触（contact）意指硅芯片内的器件与第一层金属之间在硅表面的连接。通孔（via）是穿过各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层之间形成电通路的开口。“填充薄膜”是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属层之间形成电连接。,7.1 引言,金属互联,层间介质（IL

4、D）是绝缘材料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属（通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。在一个芯片上有许多通孔，据估计，一个300mm2单层芯片上的通孔数达到一千亿个。在一层ILD中制造通孔的工艺，在芯片上的每一层都被重复。 金属化正处在一个过渡时期，随着铜冶金术的介入正经历着快速变化以取代铝合金。这种变化源于刻蚀铜很困难，为了克服这个问题，铜冶金术应用双大马士革法处理，以形成通孔和铜互连。这种金属化过程与传统金属化过程相反（见下图）。,7.1 引言,金属互联,传统互联和大马士革互联的比较,7.1 引言,金属类型,金属类型,

5、对IC工艺中的金属材料的要求是： 导电率：为维持电性能的完整性，必须具有高导电率，能够传导高电流密度。 粘附性：能够粘附下层衬底，容易与外电路实现电连接。与半导体和金属表面连接时接触电阻低。 淀积：易于淀积并经相对的低温处理后具有均匀的结构和组分 ( 对于合金 ) 。能够为大马士革金属化工艺淀积具有高深宽比的间隙。,7.1 引言,金属类型,刻印图形/平坦化：为传统铝金属化工艺提供具有高分辨率的光刻图形；大马士革金属化易于平坦化。 可靠性：为了在处理和应用过程中经受住温度循环变化，金属应相对柔软且有较好的延展性。 很好的抗腐蚀性，在层与层之间以及下层器件区具有最小的化学反应。 应力：很好的抗机械

6、应力特性以便减少硅片的扭曲和材料失效，比如断裂、空洞的形成和应力诱导腐蚀。,7.1 引言,金属类型,硅和硅片制造业中所选择的金属（在20）,7.2 金属铝,概述,在半导体制造业中，最早的互连金属是铝，目前在VLSI以下的工艺中仍然是最普通的互连金属。在21世纪制造高性能IC工艺中，铜互连金属有望取代铝。然而，由于基本工艺中铝互连金属的普遍性， 所以选择铝金属化的背景是有益的。 铝在20时具有2.65-cm的低电阻率，比铜、金及银的电阻率稍高。然而铜和银都比较容易腐蚀，在硅和二氧化硅中有高的扩散率，这些都阻止它们被用于半导体制造。另一方面，铝能够很容易和二氧化硅反应，加热形成氧化铝（AL2O3）

7、，这促进了氧化硅和铝之间的附着。还有铝容易淀积在硅片上。基于这些原因。铝仍然作为首先的金属应用于金属化。,铝互联,7.2 金属铝,欧姆接触,欧姆接触 任何金属与半导体的接触一般总会形成肖特基势垒。然而，为了不致破坏器件的电气性能，作为电极系统的金属-半导体接触，是不希望有整流作用和少数载流子注入效应的。也就是说，电极接触应当尽量符合欧姆定律。电极系统的金属-半导体接触应当是欧姆接触，这是对电极系统的基本要求。,7.2 金属铝,欧姆接触,7.2 金属铝,硅的熔点为1412，而纯铝的熔点为660。然而，铝和硅熔合形成的合金实际上有更低的熔点，实际熔点依据它们的组分而定，例如：铝含量占88.7%，硅

8、含量占11.3%的合金，其熔点为577。这个温度被称为最低可熔化的温度，它是合金在特殊组分下的最低可熔化温度。这限制了以后工艺加工的最高温度。 为了在铝和硅之间形成接触，加热界面是必要的。这一过程通常在惰性气体或还原的氢气环境中，在450到500进行。这个加热烘烤过程也被称为低温退火或烧结。在硅上加热烘烤铝形成期望的电接触界面，被称为欧姆接触。欧姆接触有很低的电阻。,欧姆接触结构,7.2 金属铝,出现的问题,7.2 金属铝,结尖刺的问题 在固态情况下，Al在Si中几乎不溶解，而Si在Al中的溶解度则比较高。这样，在退火过程中，就会有相当多的Si原子溶到Al中去，同时在Si中留下空位，而Al就进

9、入这些空位。形成结尖刺。结尖刺有可能引起结短路，这一过程称为结“穿通”。,出现的问题,7.2 金属铝,结尖刺的问题可通过在铝中添加硅和阻挡层金属化两种方法解决。第一种方法是利用铝和硅的合金而不是纯铝。如果铝中已经有硅，那么硅从衬底向铝中溶解的速度将会减慢。然而硅在铝中形成合金的量是有限的，由于硅在铝中凝结，可能导致节结 ( 小的硅高浓度区域 ) 的形成。节结的形成，可能明显地增加接触电阻，并且在节结点的局部加热可能引起可靠性严重下降。解决结尖刺问题的主要方法是引入阻挡层金属以抑制扩散。,出现的问题,7.2 金属铝,电迁移问题 金属化引线中的电迁移现象是一种在大电流密度作用下的质量输运现象。质量

10、输运是沿电子流方向进行的，结果在一个方向形成空洞，而在另一方向则由于铝原子的堆积而形成小丘。简单地说，电迁移现象是金属线内由高密度电流中的电子和原子的碰撞引起的原子的快速迁移，即导电电子与金属离子间动量交换，电子将动量传给金属离子，使其由电极负端向正端运动。,当金属为良导体、在直流电流密度比较大时，电迁移作用将是显著的。于是金属离子由电极负端向正端运动（电子流方向）。 在产生空洞的地方会引起连线减薄，可能会引起断路。而在金属原子堆积、形成小丘的地方，如果过多或大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在一起。在超大规模集成电路技术、高级电路的设计中，芯片温度会随着电流密度而增加，这两

11、者都会使铝芯片金属化更易于引起电迁移。,出现的问题,7.2 金属铝,出现的问题,7.2 金属铝,传统的铝互联工艺,7.2 金属铝,传统的铝互连工艺 1)首先在介质层上淀积金属层铝； 2)然后光刻形成互连引线的光刻胶掩膜图形； 3)以光刻胶作掩膜，刻蚀形成金属互连引线的图形； 4)除去光刻胶。,传统的铝互联工艺,7.2 金属铝,概述,7.3 金属铜,Cu比Al有更好的电迁移特性及电导率，因此，Cu互连技术的应用将改善集成电路的可靠性及速度。利用Cu作为互连金属材料代替传统的Al是人们一直希望实现的目标。但由于一些关键的问题一直得不到很好的解决，Cu互连技术研究进展缓慢，以致许多人曾悲观地认为，在

12、集成电路中铜互连技术可能是无法实现的。 问题之一是Cu的污染问题，Cu是半导体的深能级杂质，对半导体的载流子具有很强的陷阱效应，同时Cu在SiO2介质中的扩散很快，从而使SiO2的介电性能严重退化；,另一个问题是Cu引线图形的加工问题，由于一直难以找到可以刻蚀Cu金属薄膜材料的化学试剂和刻蚀手段，而仅仅利用传统的互连加工工艺，一直难以实现Cu的互连引线的图形加工。 Cu互连集成技术的突破是随着化学机械抛光（chemical mechanical polishing，CMP）技术的发明、大马士革工艺的提出和势垒层材料技术的发展而取得的。人们研发出可以阻挡Cu扩散的势垒层材料技术成功地解决了Cu污

13、染问题；而大马士革结构与CMP技术，成功地解决了Cu引线加工问题。,概述,7.3 金属铜,概述,铜被普遍认为是一种理想的候选材料。因此在深亚微米工艺（0.18m及以下），铜将逐步代替铝成为硅片上多层布线的材料。利用铜代替铝作为互连线代表了半导体工业的重要转变，可使计算机芯片体积缩小30，集成度提高一倍，如要达到6层Cu/SiO2的RC要求，采用AL/SiO2则需要12层，它们构成的器件能满足高频、高集成度、大功率、大容量，使用寿命长的要求，它们速度提高40，并且可大幅降低成本，已受到学术界和工业界的高度重视，Cu成为集成电路的下一代导线。,7.3 金属铜,铜的优点,7.3 金属铜,IC互连金属

14、化引入铜的优点是 ： 电阻率的减小 在20时，互连金属线的电阻率从铝的2.65cm 减小到铜的1.678cm，这减小 RC 的信号延迟 ， 增加芯片速度。单纯采用铜代铝作为互连材料，可降低RC约40。使用铜互连线可以减少芯片上互连线的电阻，或者在保持电阻不变的情况下，减小互连金属的厚度来减小同一层内互连线间的耦合电容，从而降低耦合噪声和互连线的信号延迟。因此更加适合高频器件和大功率器件。,良好的抗电迁移性能 铜在抗电迁移能力方面要比铝大一到两个数量级，器件的寿命更长，可靠性更佳。 高熔点 当IC中的电流密度过高，高熔点的材料比低熔点的材料更不易于发生电子迁移，原因在于前者有更高的界面扩散激活能

15、。铝的熔点为660，铜的熔点为1083，所以铜更不易发生电子迁移。,铜的优点,7.3 金属铜,更少的工艺步骤 用大马士革方法处理铜具有减少工艺步骤 20% 到 30% 的潜力。 热传导率 Cu具有更高的热传导率。,铜的优点,7.3 金属铜,Cu作为互连材料存在的问题 铜在Si和二氧化硅（介质材料）中是间隙杂质，Cu在Si中扩散相当快，一旦进入Si器件中会成为深能级受主杂质，对半导体中的载流子具有强的陷阱效应，使器件的性能退化甚至失效；同时Cu在SiO2（介质材料）中扩散相当快，从而使SiO2的介电性能严重退化，形成互连线的低击穿；,对铜的挑战,7.3 金属铜,Cu是一种稳定的惰性金属，不像铝那

16、样易与刻蚀离子发生反应而被刻蚀。一直难以找到可以刻蚀Cu金属薄膜材料的化学试剂和刻蚀手段，在传统的干法腐蚀中，由于不能产生易挥发性卤化物，因而不能用常规等离子体腐蚀工艺制备互连线图形； Cu在空气中和低温下（200）易氧化，而且不能像铝一样形成钝化保护层来阻止自身进一步被氧化和腐蚀；,对铜的挑战,7.3 金属铜,对铜的挑战,7.3 金属铜,铜对二氧化硅、硅等材料的粘附性很差；铜不像铝那样易于在硅或二氧化硅衬底上生长，结构的不完美将导致电阻率的增大； 铜的扩散会引起所谓中毒效应，与硅在较低温度下（200）反应生成Cu3Si，Cu和Si形成化合物后电阻率将增大好几倍，导致对有源区的沾污而引起漏电和

17、Vt漂移。特别是当其渗入到掺硼硅中时，会与硼发生反应，形成BCu化合物而使硼的有效掺杂浓度降低。Si扩散入铜中将增加铜的电阻率；,同时，芯片工作时，临近金属线之间施加的电场也大大提高了铜的扩散速率。 基于以上原因，必须采取有效措施来防止铜向硅中扩散，解决以上问题一般是在沉积铜层之前再加一步，即在刻好的槽的衬底上溅射淀积约50nm厚的阻挡层，金属扩散阻挡层（Ta，TaN等）或者介质扩散阻挡层（Si3N4等），即在介质层和金属铜之间引入引入一层扩散阻挡层，以提高铜与衬底的粘结性和阻止铜向Si或二氧化硅衬底的扩散。,对铜的挑战,7.3 金属铜,布线技术,目前的布线技术有两种，即传统的RIE技术与新兴

18、的大马士革工艺技术。大马士革工艺技术较RIE技术有很多优点：首先，RIE技术金属的去除是用活性离子刻蚀的方法来形成图案。但是，铜为惰性金属，本身不能像铝一样容易与刻蚀离子发生反应而被刻蚀，铝被刻蚀能产生气态的附产物，而铜刻蚀产生的气态附产物不易挥发，也就是说铜的图案成型使用RIE技术有很大的技术难度，RIE刻蚀难以制备铜互连线的图形。而大马士革技术是用CMP来实现图案成型，这就解决了这一技术难题。,7.3 金属铜,布线技术,7.3 金属铜,其次，RIE技术中刻蚀温度需要200250，但是大马士革工艺技术的CMP过程是在常温下进行，这就使工艺大大简化。再有，如果使用大马士革工艺技术，则可以大批量

19、生产，提高效率；最后，大马士革工艺技术所用的设备简单，成本低。一般来说，通常情况下，形成Al的布线一般采用RIE技术，形成铜的布线使用大马士革工艺技术。所以只能采用先刻蚀介质再填充金属互连材料的模式，大马士革工艺成为目前唯一一种得到广泛研究与应用的铜图形化技术。,布线技术,7.3 金属铜,RIE技术中金属的去除工序,大马士革技术中金属的去除工序,布线技术,7.3 金属铜,大马士革结构有两种形式： 1)单大马士革结构（single damascene）； 2)双大马士革结构（dual damascene）。 前者是一次只淀积一层金属，后者是一次把一层通孔或接触孔和它上面的那层互连线这两层金属的淀

20、积在同一步骤中完成。这节省了工艺步骤并且消除了通孔（或接触孔）和金属线之间的界面，大大提高铜的抗电迁移性。,布线技术,7.3 金属铜,布线技术,7.3 金属铜,双大马士革方法 SiO2淀积 淀积内层氧化硅到希望的厚度。 Si3N4刻蚀阻挡层淀积厚250的Si3N4刻蚀阻挡层被淀积在内层氧化硅上。 Si3N4需要致密，没有针孔。,Si3N4,布线技术,7.3 金属铜,确定通孔图形和刻蚀光刻确定图形、干法刻蚀通孔窗口进入Si3N4中，刻蚀完成后去掉光刻胶。 淀积保留介质的SiO2 为保留层间介质，PECVD 氧化硅淀积。,布线技术,7.3 金属铜,Si3N4,布线技术,7.3 金属铜,确定互连图形

21、光刻确定氧化硅槽图形，带胶。在确定图形之前将通孔窗口放在槽里。 刻蚀互连槽和通孔在层间介质氧化硅中干法刻蚀沟道，停止在Si3N4层。穿过Si3N4层中的开口继续刻蚀形成通孔窗口。,布线技术,7.3 金属铜,布线技术,7.3 金属铜,淀积阻挡层金属在槽和通孔的底部及侧壁淀积钽和氮化钽扩散层 淀积铜种子层淀积连续的铜种子层，种子层必须是均匀的并且没有针孔,布线技术,7.3 金属铜,布线技术,7.3 金属铜,淀积铜填充用电化学淀积 (BCD) 淀积铜填充 ，既填充通孔窗也填充槽。 用 CMP 清除额外的铜用化学机械平坦清除额外的铜，这一过程平坦化了表面并为下 道工序做了准备。 最后的表面是一个金属镶

22、嵌在介质内、形成电路的平面结构。,布线技术,7.3 金属铜,布线技术,7.3 金属铜,目前采用的淀积方法是，首先利用PVD技术中的溅射方法，淀积一薄的势垒金属层（阻挡层）和Cu的种子（籽晶层），然后利用电化学（电镀或化学镀）或CVD的方法进行Cu金属的通孔和沟槽填充，经过约400的退火后，进行Cu的CMP和清洁工艺。Cu籽晶层是为了满足利用电镀或化学镀方法大规模填充Cu的需要而淀积的，基于保证通孔和沟槽有理想的图形结构，溅射淀积势垒层和籽晶层时要求是保形淀积，为了保证有高的淀积速率，在对通孔和沟槽进行填充时均采用CVD、电镀或化学镀等高淀积速率的方法。,布线技术,7.3 金属铜,实验显示，完全

23、采用溅射方法填充形成的通孔和沟槽中，Cu由于容易形成空洞，所以可靠性并不好，其发生电迁移的几率远远大于电镀或化学镀方法。尽管CVD方法是集成电路工艺中最常用的淀积技术之一，但由于其所淀积的Cu的可靠性比用电镀或化学镀方法淀积的要差，因此在Cu互连集成工艺中，目前普遍采用电镀或化学镀的方法向通孔和沟槽中淀积Cu。,布线技术,7.3 金属铜,在硅片制造业中，与传统的铝互连工艺比较，双大马士革法具有减少工艺步骤 20% 到 30% 的 潜力。双大马士革法不仅有较少的制造步骤，而且排除或减少了传统铝互连金属化中最难的步骤，包括铝刻蚀和许多钨与介质的化学机械抛光步骤。,布线技术,7.3 金属铜,概述,7

24、.4 阻挡层金属,提高欧姆接触可靠性比较有效的方法是用阻挡层金属，这种方法可消除诸如浅结材料扩散或结尖刺的问题。阻挡金属层是淀积金属或金属塞，作用是阻止层上下的材料互相混合。阻挡金属层的厚度在特征尺寸为 0.25m 这一代器件中的典型值约100nm，而在0.35 m 一代器件中的厚度为 400 到 600nm，阻挡金属层厚度在 0.18m 或更小的器件中计划减到 23nm 或更少。,阻挡层结构,7.4 阻挡层金属,阻挡层金属基本特性,7.4 阻挡层金属,阻挡层金属的基本特性是 ： 有很好的阻挡扩散特性，使分界面两边材料 ( 如钨和硅 ) 的扩散率在烧结温度时很低。 高电导率、具有很低的欧姆接触

25、电阻。 在半导体和金属之间有很好的附着。 抗电迁移。 在很薄并且高温下具有很好的稳定性。 抗侵蚀和氧化。,种类,通常用做阻挡层的金属是一类具有高熔点、难熔的金属,钛（Ti）：用钛作为阻挡层的优点可以增强铝合金连线的附着、减小接触电阻、减小应力和控制电迁移。为了得到好的阻挡特性，要清除硅片上的自然氧化层和氧化物残留。,钛钨(TiW)和氮化钛不(TiN )：也是两种普通的阻挡层金属材料，它们阻止硅衬底和铝之间的扩散。TiN 因其在铝合金互连处理过程中的优良阻挡特性，而被广泛用于超大规模集成电路的制造。然而TiN和硅之间的接触电阻不小。为了解决这个问题 ，在TiN被淀积之前 ，先淀积一薄层钛 ( 典

26、型厚度为几百埃或更少 )，这层 Ti 能与下层的硅反应从而降低它的电阻。,7.4 阻挡层金属,种类,对于铜互连来说，由于铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将破坏器件的性能。传统的阻挡层金属对铜来说阻挡作用不够 , 铜需要由一层薄膜阻挡完全封装起来，这层封装薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。钽、氮化钽和钽硅氮 (TaSiN) 都是阻挡层金属的待选材料 。这个扩散阻挡层很薄 ( 约 50 nm )。,7.4 阻挡层金属,种类,7.4 阻挡层金属,概述,7.5 硅化物,阻挡层金属与硅在一起发生反应，熔合时形成硅化物。硅化物是一种具有热稳定性的金属化合物，并且在硅 /阻挡层金属的分界

27、面具有低的电阻率 。在芯片制作中，硅化物是非常重要的 ，因为为了提高芯片性能 ，需要减小许多源漏和栅区的接触电阻。,多晶硅化物,7.5 硅化物,掺杂的多晶硅被用做栅电极，相对而言它有较高的电阻率 ( 约 500cm)，这导致了不应有的 RC 信号延迟。钛与多晶硅反应生成多晶硅化物，对减小连接多晶硅的串联电阻是有益的。,硅化物的形成,在硅化物形成过程中，先要去除留在硅表面的氧化硅来减小硅化物的接触电阻。然后把金属淀积在硅片上,接着进行高温退火处理以形成硅化物材料。在有硅的区域,金属与硅反应形成硅化物。在硅片表面的其他区域,如表面是氧化硅 (SiO2)，有很少或没有硅化物形成。通常这个热退火步骤在

28、一个多腔集成设备中使用快速热退火 (RTA) 处理。硅化物与硅最终形成一个非常好的冶金接触。,7.5 硅化物,硅化物特性,下表是一些硅化物的特性：,7.5 硅化物,7.5 硅化物,TiSi2对硅片制造而言，是最普通的用于接触的硅化物,它用做晶体管硅有源区和钨填充薄膜之间的接触。它通常被称为粘合剂，紧紧地把钨和硅粘合在一起。它的优点是高温稳定，比其它硅化物的电阻率低。 TiSi2作为接触硅化物，在亚 0.25m 技术的应用中受到限制。对于超浅的源 / 漏结，接触层正在变薄。硅化物接触层的电阻率随着它的减薄而增加，因此TiSi2不希望用做太薄的接触层 。,硅化物特性,硅化物特性,7.5 硅化物,对0.18m或更低的器件技术,钴硅化物 (CoSi2) 是有希望的硅化物。这种硅化物经退火处理以后,即使几何尺寸降到0.18m或更低的深亚微米,它