2019年 第九章金属化与多层互连 ppt课件.ppt

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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2012年8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

2、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TiSi29.1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。9.2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、T

3、iB2、SiGe、ZrB2、TiC、MoC、TiN。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金属化材料及应用自对准形成硅化钛9.2金属化材料及应用2、硅化物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4、钛Ti：硅化钛、氮化钛1）阻

4、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金属化材料及应用接触工艺的演变9.2金属化材料及应用W钨CVDW原料：WF6先与Si

5、H4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/TiBarrier/AdhesionLayer6、铜•Lowresistivity(1.7mW×cm),–lowerpowerconsumptionandhigherICspeed•Highelectromigrationresistance–betterreliability•Pooradhesionwithsilicon

6、dioxide•Highlydiffusive,heavymetalcontamination•Veryhardtodryetch–copper-halogenhaveverylowvolatility9.2金属化材料及应用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S

7、i溶解到Al中。9.2.1Al的性质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V

8、LSI的结深）∵Si非均匀消耗，∴实际上，A*<>Z，故Al形成尖楔9.3Al的性质及现象尖楔机理：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