第九章-金属化与多层互连.ppt

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1、第九章金属化与多层互连金属及金属性材料在集成电路技术中的应用被称为金属化。按其在集成电路中的功能划分，金属材料可分为三大类：MOSFET栅电极材料：早期nMOS集成电路工艺中使用较多的是铝栅，目前CMOS集成电路工艺技术中最常用的是多晶硅栅。互连材料：将芯片内的各独立元器件连接成具有一定功能的电路模块。铝是广泛使用的互连金属材料，目前在ULSI中，铜互连金属材料得到了越来越广泛的运用。接触材料：直接与半导体接触，并提供与外部相连的连接点。铝是一种常用的接触材料，但目前应用较广泛的接触材料是硅化物，如铂硅(PtS

2、i)和钴硅(CoSi2)等。集成电路中使用的金属材料，除了常用的金属如Al，Cu，Pt，W等以外，还包括重掺杂多晶硅、金属硅化物、金属合金等金属性材料。9.1、集成电路对金属化材料特性的要求与n+，p+硅或多晶硅能够形成欧姆接触，接触电阻小；长时期在较高电流密度负荷下，抗电迁移性能要好；与绝缘体（如SiO2）有良好的附着性；耐腐蚀；易于淀积和刻蚀；易于键合，而且键合点能经受长期工作；多层互连要求层与层之间绝缘性好，不互相渗透和扩散。9.1.1、晶格结构和外延生长特性的要求金属材料特性与其晶格结构有关，集成电路中

3、金属薄膜：外延生长单晶膜具有最理想的特性。采用外延生长可以消除缺陷，晶体结构好，提高金属薄膜的性能，降低电阻率和电迁移率，得到良好的金属/半导体接触或金属/绝缘体接触界面。9.1.2、电学特性金属材料在集成电路中应用时，须考虑的电学性能主要包括电阻率、电阻率的温度系数(TCR)、功函数、与半导体接触的肖特基势垒高度。对于接触材料和栅电极材料，其功函数、与半导体材料的肖特基势垒高度和接触电阻是非常重要的参数。9.1.3、机械特性、热力学特性以及化学反应特性多层薄膜体系中通常有应力存在，如图所示，(a)存在张应力，

4、(b)存在压应力。通常总的应力σ可以分为固有应力σi，和热应力σth两部分，即σ=σi+σth。固有应力主要由薄膜的淀积条件决定，通过优化生长过程可以减小。热应力可由下式计算：Ef杨氏模量，Vf泊松系数，αF与αS为薄膜和衬底的热膨胀系数，T1为工作时温度，T2为生长(或退火)温度。可见减小热应力，最重要的是选择热膨胀系数相近的材料。应力的存在对互连体系可靠性产生严重影响，应力可导致互连线出现空洞，互连材料的电迁移也与应力的存在有关。多层薄膜体系的应力可以通过淀积生长适当的覆盖层来减弱，若第一层薄膜受张应力，当

5、覆盖层为受压应力时，经过退火后应力转移，主要集中在覆盖层，而原有薄膜所受应力减小。选择合适的覆盖层对减小薄膜中的应力非常重要。除了应力之外，金属材料在半导体材料中的扩散、材料的热力学特性以及化学反应特性在互连材料的选取以及结构设计时都是必须考虑的问题。铝是一种经常被采用的金属互连材料，主要优点是:在室温下的电阻率仅为2.7μΩ·cm；与n+、p+硅或多晶硅的欧姆接触电阻可低至10-6Ω/cm2；与硅和磷硅玻璃的附着性很好；经过短时间热处理后，与SiO2、Si3N4等绝缘层的黏附性很好；易于淀积和刻蚀。9.2、铝

6、在集成电路技术中的应用铝应用于集成电路中的互连引线，主要是采用溅射方法制备，淀积速率快、厚度均匀、台阶覆盖能力强。9.2.1、金属铝膜的制备方法9.2.2、Al/Si接触中的几个物理现象(1)Si在Al中的扩散Si在Al中的溶解度比较高，在Al与Si接触处，在退火过程中，会有大量的Si原子溶到Al中。溶解量不仅与退火温度下的溶解度有关，还与Si在Al中的扩散情况有关。在400-500℃退火温度范围内，Si在Al薄膜中的扩散系数比在晶体Al中大40倍。这是因为Al薄膜通常为多晶，杂质在晶界的扩散系数远大于在晶粒内

7、的扩散系数。(2)Al与SiO2的反应Al与SiO2反应对于Al在集成电路中的应用十分重要：Al与Si接触时，可以“吃”掉Si表面的自然氧化层，使Al/Si的欧姆接触电阻降低；Al与SiO2的作用改善了集成电路中Al引线与下面SiO2的黏附性。9.2.3、Al/Si接触中的尖楔现象宽度为w，厚度为d的铝引线，与硅接触的接触孔面积为A，如图所示。尖楔现象：由于硅在铝中的溶解度较大，在Al/Si接触中，Si在Al膜的晶粒间界中快速扩散离开接触孔的同时，Al也会向接触孔内运动、填充因Si离开而留下的空间。如果Si在接

8、触孔内不是均匀消耗，Al就会在某些接触点，像尖钉一样楔进Si衬底中去，如果尖楔深度大于结深，就会使pn结失效，这种现象就是Al/Si接触中的尖楔现象。若退火时间为t，则Si在Al中的扩散距离为(Dt)1/2，假设Si在Al中是饱和的，则消耗的硅体积V为式中nAl和nSi分别为铝和硅的密度，S是Si在A1中的溶解度(重量百分数)。假如Si在接触孔面积A内是均匀消耗的，那么消耗掉的硅层厚度