《金属化与多层互连》PPT课件

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1、集成电路制造技术第九章金属化与多层互连西安电子科技大学微电子学院戴显英2010年3月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。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－－CuCMOS标准金属化TiN的作用TiN：阻挡层，防止W扩散TiN：粘合层

2、，帮助W与SiO2表面粘合在一起TiN：防反射涂层ARC（Anti-reflectioncoating），防止反射提高光刻分辨率第九章金属化与多层互连常用金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等常用的金属性材料：掺杂的poly-Si；金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2；金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、TiB2、SiGe、ZrB2、TiC、MoC、TiN。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。9.2Al的应用电阻率：Al为2.7μ

3、Ω/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。9.2.2Al/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。9.2.3

4、Al/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*<>Z，故Al形成尖楔尖楔现象机理：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Si。9.2.5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

5、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：Cu9.3Cu及低K介质问题的引出：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9.3Cu及低K介质如何降低：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

6、K（ε）的介质材料：ε<3.5Cu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9.3.2Cu互连工艺流程9.3.5Cu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

7、需要；④沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀；⑤400℃下退火；⑥Cu的CMP。铜金属化（CopperMetallization）9.4多晶硅及硅化物多晶硅：CMOS多晶硅栅、局域互连线；9.4.1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