集成電路工藝接觸與互連稻谷書苑

1、微電子工藝學microelectronic processing第七章 接觸與互連張道禮張道禮 教授教授email: email: zhang-zhang-voice: 87542894voice: 875428941教育教學后端工藝后端工藝backend of the line technology (beol)backend of the line technology (beol)：將器件連將器件連接成特定的電路結構：金屬線及介質的制作，使得金屬線在電學和接成特定的電路結構：金屬線及介質的制作，使得金屬線在電學和物理上均被介質隔離。物理上均被介質隔離。全局互連全局互連（alal）局部互連

2、局部互連 （多晶硅（多晶硅, , 硅化物硅化物, , tintin）（imdimd）接觸（接觸（contactcontact）金屬和硅的結合部金屬和硅的結合部通孔（通孔（viavia）用于連接不同層的金屬連線用于連接不同層的金屬連線金屬間介質（金屬間介質（imdimd）鈍化層（鈍化層（passivationpassivation）（pmdpmd）7.1 7.1 概述概述2教育教學后端工藝越來越重要后端工藝越來越重要占了工藝步驟中大部分占了工藝步驟中大部分影響影響icic芯片的速度芯片的速度多層金屬互連多層金屬互連增加了電路功增加了電路功能并使速度加能并使速度加快快7.1 7.1 概述概述3教育

3、教學互連的速度限制的簡單估計互連的速度限制的簡單估計由全局互連造成的延遲可以表達為：由全局互連造成的延遲可以表達為：其中其中e eoxox是介質的介電常數，是介質的介電常數，k k是邊緣場是邊緣場效應的修正系數，效應的修正系數，r r是金屬線的電阻率是金屬線的電阻率e7.1 7.1 概述概述4教育教學7.2 7.2 金屬化金屬化金屬化：金屬化：是指用于互連、歐姆接觸、金屬-半導體整流接觸的金屬膜的形成過程。半導體物理中討論過歐姆接觸及整流接觸的電流-電壓特性。金屬膜可用多種方法形成，最重要的是物理氣相淀積法和化學氣相淀積法。將討論兩類最重要的金屬：鋁、銅及金屬硅化物。這些金屬廣泛用于分立器件及

4、集成電路。5教育教學對對icic金屬化系統的主要要求金屬化系統的主要要求 (1) (1) 金屬和金屬和n+n+硅和硅和p+p+硅或多晶硅硅或多晶硅半導體形成低阻接觸半導體形成低阻接觸(2) (2) 能提供低電阻的互連引線，從而提高電路速度能提供低電阻的互連引線，從而提高電路速度(3) (3) 與絕緣體與絕緣體( (如二氧化硅如二氧化硅) )或其它介質層的粘附性好或其它介質層的粘附性好(4) (4) 臺階覆蓋好臺階覆蓋好(5) (5) 結構穩(wěn)定，不發(fā)生電遷移及腐蝕現象結構穩(wěn)定，不發(fā)生電遷移及腐蝕現象(6) (6) 易于淀積和刻蝕易于淀積和刻蝕(7) (7) 制備工藝簡單制備工藝簡單(8) (8)

5、 易鍵合，且鍵合點能經受長期工作易鍵合，且鍵合點能經受長期工作(9) (9) 層與層之間絕緣要好，不互相滲透和擴散，即要求有層與層之間絕緣要好，不互相滲透和擴散，即要求有一個擴散阻擋層一個擴散阻擋層電學、機械、熱學、熱力學及化學電學、機械、熱學、熱力學及化學7.2 7.2 金屬化金屬化6教育教學可能形成互連的導電材料可能形成互連的導電材料金屬金屬 (metal)(metal)：low resistivitylow resistivity多晶硅多晶硅(polysi)(polysi)：medium resistivity)medium resistivity)硅化物硅化物(metal silici

6、des)(metal silicides)：介于以上二者之間：介于以上二者之間7.2 7.2 金屬化金屬化7教育教學常用金屬薄膜比較常用金屬薄膜比較 金膜金膜：早期的金屬化材料缺點：與si的接觸電阻很高，下部需要一個鉑中間層；柔軟，上部需要一層鉬；優(yōu)點：導電性最好。工藝：濺射銅膜：新一代的金屬化材料，超大規(guī)模集成電路的內連線缺點：與si的接觸電阻高，不能直接使用；銅在si中是快擴散雜質，能使si中毒，銅進入si內改變器件性能；與si、sio2粘附性差。優(yōu)點：電阻率低（只有鋁的40-45%） ，導電性較好；抗電遷移性好于鋁兩個數量級。工藝：濺射鋁膜: 大多數微電子器件或集成電路是采用鋁膜做金屬化

7、材料缺點：抗電遷移性差；耐腐蝕性、穩(wěn)定性差 ；臺階覆蓋性較差。優(yōu)點：導電性較好；與p-si，n+-si（51019 ）能形成良好的歐姆接觸；光刻性好；與二氧化硅黏合性好；易鍵合。工藝：蒸發(fā)，濺射7.2 7.2 金屬化金屬化8教育教學properties of interconnect materialsmaterialthin film resistivity (cm)melting point (oc)al2.7-3.0660w8-153410cu1.7-2.01084ti40-701670ptsi28-351229c54 tisi213-161540wsi230-702165cosi215

8、-201326nisi12-20992tin50-1502950ti30w7075-2002200heavily doped poly-si450-1000014177.2 7.2 金屬化金屬化9教育教學 定義：零偏壓附近電流密定義：零偏壓附近電流密度隨電壓的變化率度隨電壓的變化率01vcdvdj比接觸電阻比接觸電阻 c c 的單位的單位: wcm: wcm2 2 或或 mm2 2 接觸電阻接觸電阻：衡量歐姆接觸質量的參數是衡量歐姆接觸質量的參數是比接觸電阻比接觸電阻 c重摻雜硅重摻雜硅金屬線金屬線接觸面積接觸面積a a金屬金屬sisi之間，之間， c c在在1010-5-51010-9-9

9、wcm wcm2 2金屬金屬之間，金屬金屬之間， c c1010101919/cm/cm3 3nmqsbce*2exp7.2 7.2 金屬化金屬化12教育教學形成歐姆接觸的方式形成歐姆接觸的方式低勢壘歐姆接觸：一般金屬和低勢壘歐姆接觸：一般金屬和p p型半導體型半導體 的接觸勢壘較低的接觸勢壘較低 高摻雜歐姆接觸高摻雜歐姆接觸 al/al/n n-type si-type si勢壘高度勢壘高度 0.7 ev0.7 ev需高摻雜歐姆接觸需高摻雜歐姆接觸 al/al/p p-type si-type si勢壘高度勢壘高度 0.4 ev0.4 ev1.12 ev1.12 ev7.2 7.2 金屬化金

10、屬化13教育教學因為鋁及鋁合金具有低電阻率(鋁約為2.7cm，鋁合金最高約為3.5cm)，故可滿足低電阻的需求，此外，鋁附著于二氧化硅上的特性極佳。因此，鋁及鋁合金在ic金屬化工藝中使用范圍相當廣泛，鋁膜的淀積可由pvd或cvd的方式完成。然而ic工藝中使用鋁于淺結上易造成尖鍥(spiking)或電遷移(electromigration)的問題7.2 7.2 金屬化金屬化14教育教學最常用的材料是最常用的材料是alal：采用濺射淀積：采用濺射淀積 al al 金屬化系統失效的現象金屬化系統失效的現象alal的電遷移（的電遷移（electromigrationelectromigration）a

11、l/sial/si接觸中的尖楔現象接觸中的尖楔現象cucu正全面取代正全面取代alal鋁互連技術鋁互連技術7.2 7.2 金屬化金屬化15教育教學al/sial/si接觸中的尖楔現象接觸中的尖楔現象1 1）硅和鋁不能發(fā)生化學反應形成硅化物，但在退火溫度）硅和鋁不能發(fā)生化學反應形成硅化物，但在退火溫度下（下（400-500 400-500 c c），硅在鋁中的固溶度較高（固溶度），硅在鋁中的固溶度較高（固溶度隨溫度呈指數增長），會有可觀的硅原子溶解到隨溫度呈指數增長），會有可觀的硅原子溶解到alal中。中。2 2）退火溫度下，）退火溫度下，sisi在在alal膜中的擴散系數非常大膜中的擴散系數非

12、常大在薄在薄膜晶粒間界的擴散系數是晶體內的膜晶粒間界的擴散系數是晶體內的4040倍。倍。3) al3) al和和siosio2 2會發(fā)生反應：會發(fā)生反應：4al+3sio4al+3sio2 22al2al2 2o o3 3+3si+3sialal與與sisi接觸時，接觸時，alal可以可以“吃掉吃掉”sisi表面的天然表面的天然siosio2 2層層( (1 nm)1 nm)，使接觸電阻下降；，使接觸電阻下降；可以增加可以增加alal與與siosio2 2的粘附性。的粘附性。siosio2 2厚度不均勻，會造成嚴重的尖楔現象。厚度不均勻，會造成嚴重的尖楔現象。7.2 7.2 金屬化金屬化16一

13、、結尖鍥右圖為1atm下鋁-硅體系的相圖，顯示兩種材料的組成比例與溫度間的關系鋁-硅體系有低共熔特性，即將兩者互相摻雜時，合金的熔點較兩者中任何一種材料都低，熔點的最低點稱為共熔溫度(eutectic temperature)，al-si體系為577，相當于硅占11.3、鋁占88.7的合金熔點而純鋁與純硅的熔點分別為660 及1412，基于此特性，淀積鋁膜時硅襯底的溫度必須低于577 。7.2 7.2 金屬化金屬化17教育教學右圖中的插圖為硅元素在鋁中的固態(tài)溶解度。如400時硅在鋁中的固態(tài)溶解度約為0.25(重量比，下同)；450時為0.5；500 時為0.8。因此，鋁與硅接觸時，硅將會溶解到

14、鋁中，其溶解量不僅與退火溫度有關，也和鋁的體積有關7.2 7.2 金屬化金屬化18教育教學考慮一鋁的長導線，鋁與硅的接觸面積為zl，經退火時間t后，硅將沿與鋁線接觸的邊緣擴散，長度為(dt)1/2，假設硅在此段膜中已經達到飽和，則消耗硅的體積為（s為退火后硅在鋁中的固溶度）2alsivdthzs20.924 10exp()dkt7.2 7.2 金屬化金屬化假設硅很均勻地消耗在接觸面積zl上，則被消耗的硅的厚度約為：2alsihzbdtsa19教育教學考慮一鋁的長導線，鋁與硅的接觸面積為zl=16m2，z=5m，h=1m，在t=500退火時間t=30min后，求被消耗的硅的厚度。計算時假設為均勻

15、溶解。7.2 7.2 金屬化金屬化解：500時硅在鋁中的擴散系數約為210-8cm2/s，故擴散長度約為60m，鋁與硅的密度比值約為2.7/2.33=1.16；500時的s約為0.8%。則被消耗的硅的厚度約為：20.35malsihzbdtsa此結果下，鋁將填入硅中的深度約為0.35m。若該接觸區(qū)有淺結，其深度比b要小，則硅擴散至鋁中將可能造成結短路。20教育教學事實上，硅并不會均勻地溶解，而是發(fā)生在某些點上下圖為在p-n結中，鋁穿透到硅中的實際情形，可觀察到僅有少數幾個點有尖鍥形成7.2 7.2 金屬化金屬化21教育教學鋁的尖楔鋁的尖楔semsem照片照片7.2 7.2 金屬化金屬化22教育

16、教學減少鋁尖鍥的方法一種是將鋁與硅共同蒸發(fā)，使鋁中的硅含量到達固態(tài)溶解的要求。另一種方法是在鋁與硅襯底中加入金屬阻擋層(diffusion barrier) (如下圖所示)。此層必須滿足以下的要求：與硅形成的接觸電阻要??；不會與鋁起反應；淀積及形成方式必須與其他所有工藝相容。目前，經評估發(fā)現tin可在550、30min退火環(huán)境下呈現穩(wěn)定狀態(tài)，適合作為金屬阻擋層。7.2 7.2 金屬化金屬化23教育教學鋁的電遷移鋁的電遷移當大密度電流流過金屬薄膜時，具有大動量的導電電子將與金屬原子發(fā)生動量交換，使金屬原子沿電子流的方向遷移，這種現象稱為金屬電遷移電遷移會使金屬原子在陽極端堆積，形成小丘或晶須，造

17、成電極間短路；在陰極端由于金屬空位的積聚而形成空洞，導致電路開路 evoidhillock7.2 7.2 金屬化金屬化24教育教學電遷移引起的到平均失效時間（mtf）與電流密度j及激活能ea間的關系大致為21exp()aemtfjkt鋁膜的ea0.5ev，這表明材料遷移主要形式是低溫下晶粒間界擴散，因為單晶鋁自擴散的ea1.4ev。7.2 7.2 金屬化金屬化25教育教學7.2 7.2 金屬化金屬化26教育教學阻止電遷移的方法有阻止電遷移的方法有與0.54銅形成合金(可以降低鋁原子在晶間可以降低鋁原子在晶間的擴散系數。但同時電阻率會增加！的擴散系數。但同時電阻率會增加！)、以介質將導通封閉起來

18、、淀積時加氧。由于銅的抗電遷移性好，鋁-銅（0.5-4%）或鋁-鈦（0.1-0.5%）合金結構防止電遷移，結合al-si合金，在實際應用中人們經常使用既含有銅又含有硅的al-si-cu合金以防止合金化（即共熔）問題和電遷移問題。7.2 7.2 金屬化金屬化27教育教學銅鍍膜銅鍍膜為降低金屬連線的rc時間延遲，需使用高電導率的導線與低介電常數的絕緣層，這已是大家的共識。對未來新的金屬連線工藝，銅是很明顯的選擇，因為相對于鋁，它具有較高的導電性與較強的電遷移抵抗能力。銅的淀積可用pvd、cvd及電化學等方式。然而相對于鋁，在ulsi電路的領域中，銅的使用亦有其缺點。例如，在標準的芯片工藝下，有易腐

19、蝕的傾向、缺乏可行的干法刻蝕方式、不像鋁有穩(wěn)定的自我鈍化(self-passivating)氧化物al2o3以及與介質(如二氧化硅或低介電常數的聚合物)的附著力太差等。7.2 7.2 金屬化金屬化28教育教學各種用來制作多層銅導線的技術相繼被提出第一種方法是以傳統的方式去定義金屬線，再進行介質淀積；第二種方法是先定義介質，然后再將金屬銅填人溝槽內，隨后進行化學機械拋光(將在11.4.5中討論)以去除在介質表面多余的金屬而僅保留孔或溝槽內的銅，這種方法稱為嵌入工藝(damascene process)嵌入技術：嵌入技術：使用銅一低介電常數介質作互連線的方法是“嵌入法”或是“雙層嵌入法”(dual

20、 damascene)對一個典型的嵌入式結構，先規(guī)定金屬線的溝槽并刻蝕層間介質(interlayer dielectric，ild)，再填入金屬tan/cu。tan的目的是作為擴散阻擋層以阻止銅穿透低介電常數的介質。表面上多余的銅將被去除，因此可獲得一平面結構，而金屬則鑲嵌在介質中。7.2 7.2 金屬化金屬化29教育教學對于雙層嵌入法而言，在淀積金屬銅前，先進行圖形曝光工藝，并刻蝕出通孔及溝槽，如右圖(a)(d)所示。接著，對銅進行化學機械拋光，使介質表面平坦且沒有多余的金屬，只有在絕緣層通孔內才鑲嵌著金屬。使用雙層嵌入法的好處是通孔插栓與金屬線是相同的材料，所以可減少由通孔產生電遷移失效的

21、問題。7.2 7.2 金屬化金屬化30教育教學如果我們以銅導線取代傳統鋁導線，并采用低介電常數的介質(k=2.6)取代二氧化硅，將可減低多少百分比的rc時間常數？（鋁的電阻率為2.7cm，而銅為1.7cm)。解：7.2 7.2 金屬化金屬化1.72.6100%42%2.73.931教育教學金屬硅化物金屬硅化物硅可以與金屬形成許多穩(wěn)定的金屬性的及半導電的化合物。有數種具有低的電阻率及高熱穩(wěn)定性的金屬硅化物可應用與ulsi領域中。如tisi2、cosi2等。當器件尺寸變小，金屬硅化物在金屬化工藝中變得越來越重要，一個重要應用是mosfet的柵極，或是在有摻雜的多晶硅上形成多晶硅化物。7.2 7.2

22、 金屬化金屬化32教育教學金屬硅化物常用來降低源極、漏極、柵極及金屬連線的接觸電阻。自對準硅化物技術自對準硅化物技術已被證明可用來改善亞微米器件及電路的特性。自對準技術的步驟是使用金屬硅化物的柵區(qū)作為掩蔽層來形成mosfet的源區(qū)和漏區(qū)，可降低電極的相互重疊及寄生電容。7.2 7.2 金屬化金屬化33教育教學典型的多晶硅化物的形成步驟如右圖所示。在濺射淀積過程中，需使用高溫、高純度合成的靶材來確保金屬硅化物的品質。一般最常用來形成多晶硅化物的是硅化鎢(wsi2)、硅化鉭(tasi2)及硅化鉬(mosi2)。它們都耐熱，在高溫下仍穩(wěn)定，并對工藝中常用的化學藥品具有抗腐蝕能力。7.2 7.2 金屬

23、化金屬化34教育教學自對準的金屬硅化物的形成步驟如右圖所示。在工藝中，多晶硅柵極在金屬硅化物形成前先形成，接著以二氧化硅或氮化硅形成側壁間隔物(sidewall spacer)用以防止形成金屬硅化物時柵極與源/漏極問的短路。然后將金屬ti或co濺射于整個晶片表面，接著進行金屬硅化物的合成熱處理。7.2 7.2 金屬化金屬化35教育教學金屬硅化物原則上只在金屬與硅接觸的區(qū)域形成。最后以濕法腐蝕的方式將未反應的金屬刻蝕掉，只留下金屬硅化物。這種技術不需要規(guī)定復合層的多晶硅化物柵極，且在源/漏極都形成金屬硅化物，降低了接觸電阻。7.2 7.2 金屬化金屬化36教育教學金屬硅化物具有低電阻率及良好的熱

24、穩(wěn)定性，因此在ulsi電路應用中深具潛力硅化鈷具有低電阻率及良好的熱穩(wěn)定性，最近已被廣泛地研究。然而，鈷對氧化物(native oxide)與含氧的環(huán)境都相當敏感，有相當大部分的硅會被硅化工藝中被消耗掉。7.2 7.2 金屬化金屬化37教育教學金屬硅化物作為接觸材料金屬硅化物作為接觸材料特點：類金屬，低電阻率（特點：類金屬，低電阻率（4 mv/cm）低漏電（450 oc ）良好的粘合強度低吸水性低薄膜應力高平坦化能力低熱漲系數以及與化學機械拋光工藝的兼容性等等low-k integrationlow-k integration7.4 7.4 互連技術互連技術64教育教學low klow ka-

25、c:h a-c:h 7.4 7.4 互連技術互連技術65教育教學low k polymerlow k polymer7.4 7.4 互連技術互連技術66教育教學近年來，cmp的發(fā)展對多層金屬連線日趨重要，在于它是目前唯一可全局性平坦化可全局性平坦化（整個晶片表面變?yōu)橐黄教贡砻妫┑募夹g。優(yōu)點：對大小結構均可以得到較好的全面性平坦化、減少缺陷的密度及避免等離子體損傷。cmp的三種方法如下：方式晶片面 拋光平臺運行方式拋光液加入方式旋轉式cmp 朝下平臺旋轉相對于旋轉晶片滴至拋光墊表面軌道式cmp 朝下軌道相對于旋轉晶片滲透拋光墊表面線性cmp朝下線性相對于旋轉晶片滴至跑墊表面7.5 7.5 化學機

26、械拋光化學機械拋光cmpcmp67教育教學1 1）隨著特征尺寸的減小，受到光刻分辨率的限制：）隨著特征尺寸的減小，受到光刻分辨率的限制：r r ，則，則l l 和和/ /或或nanadofdof下降！下降！例如：例如：0.25 mm 0.25 mm 技術節(jié)點時，技術節(jié)點時，dof dof 208 nm 208 nm；0.18 0.18 mm mm 技術節(jié)點時，技術節(jié)點時，dof dof 150 nm 150 nm 0.25 mm 0.25 mm 后，必須用后，必須用cmpcmp才能實現表面起伏度才能實現表面起伏度200 nm200 nm必要性：必要性：單獨只采用機械方式拋光，理論上也可達到平坦

27、化的需求。但卻會造成材料表面的機械損傷nakr122sinkdof7.5 7.5 化學機械拋光化學機械拋光cmpcmp68教育教學2 2）可以減少金屬在介質邊墻處的減薄現象，改善金屬互）可以減少金屬在介質邊墻處的減薄現象，改善金屬互連性能連性能不平坦時的臺不平坦時的臺階覆蓋問題階覆蓋問題使用使用cmpcmp之之后后7.5 7.5 化學機械拋光化學機械拋光cmpcmp69教育教學cmpcmp工藝：工藝：要拋光的表面、拋光墊（將機械力轉移到要拋光的表面）、拋光液（提供化學及機械兩種效果）。7.5 7.5 化學機械拋光化學機械拋光cmpcmp70教育教學具體來講是在晶片與拋光墊(pad)之間加入拋光

28、液(slurry)，并持續(xù)移動要平坦化的晶片面摩擦拋光墊拋光液中具有研磨作用的顆粒會使晶片表面有機械損傷，這有利于在拋光液中進行化學反應，或使表面疏松破裂并在拋光液中分解而被帶走因為大部分化學反應是等向性的，所以cmp工藝必須量身訂做，使其能對表面的突出點有較快的拋光速率，以達到平坦化的效果7.5 7.5 化學機械拋光化學機械拋光cmpcmp71教育教學cmpcmp三個關鍵硬件：三個關鍵硬件：polishing padpolishing padwafer carrierwafer carrierslurry dispenserslurry dispenser7.5 7.5 化學機械拋光化學機械

29、拋光cmpcmp72教育教學7.5 7.5 化學機械拋光化學機械拋光cmpcmp73教育教學氧化膜與氧化膜下方(稱之為停止層，stop layer)的去除速率分別為v及0.1v，去除1m的氧化膜及0.01m的停止層要5.5min。試求氧化膜的去除率。解：7.5 7.5 化學機械拋光化學機械拋光cmpcmp10.015.50.1vv1.15.5,0.2m/minvv74教育教學接觸和互連總結接觸和互連總結金半接觸類型金半接觸類型整流接觸：整流接觸：n-sin-simm歐姆接觸：歐姆接觸：p-sip-sial, al, n n+ +-si/p-si/p+ +-si-simm硅化物接觸：硅化物接觸：低阻、低阻、歐姆接觸歐姆接觸摻摻cu/sicu/si阻擋層：阻擋層：tintin，金屬硅化物金屬硅化物alal：電遷移、尖楔：電遷移、尖楔平坦化技術：平坦化技術： cmp