金屬化和多層互連

1、金屬化與多層互連n金屬化:金屬及其他導(dǎo)電材料在IC中的應(yīng)用。n金屬材料的三大應(yīng)用： （1）柵極材料作為器件組成部分 （2）接觸材料與半導(dǎo)體材料接觸，半 導(dǎo)體與外界的連接橋梁 （3）互連材料連接各器件，形成電路P型晶圓N型井區(qū)P型井區(qū)STIn+n+USGp+p+金屬金屬1, AlCuBPSGWP型磊晶層TiSi2TiN, ARCTi/TiNHigh speedHigh reliabilityHigh density歐姆接觸歐姆接觸 金屬化層和硅襯底的接觸，既可以形成整流接觸，也可以形成歐姆接觸，主要取決于金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的相對(duì)大小 RcJVv01比接觸電阻的單位 : 歐姆.cm2接觸電阻 R=

2、Rc/S 當(dāng)金屬與半導(dǎo)體之間的載流子輸運(yùn)以隧道穿透為主時(shí)，Rc與半導(dǎo)體的摻雜濃度N及金半接觸的勢(shì)壘高度qVb 有下面的關(guān)系 qVb在數(shù)值上等于金屬費(fèi)米能級(jí)上的電子進(jìn)入半導(dǎo)體所需的能量。結(jié)論：要獲得低接觸電阻的金半接觸，必須減小金半接觸的勢(shì)壘高度及提高半導(dǎo)體的摻雜濃度RcqVNbexpnAlnCun高熔點(diǎn)金屬（W、Mo、Ta、Ti等）n多晶硅n金屬硅化物（WSi2、 MoSi2、TiSi2等）此外，還要考慮介質(zhì)材料，阻擋層，墊層等。n最常用的連線金屬n第四佳的導(dǎo)電金屬 Ag1.6 mWcm Cu1.7 mWcm Au 2.2 mWcm Al2.65 mWcmnAl與SiO2反應(yīng)：名稱 鋁 符號(hào)

3、Al 原子序 13 原子量 26.981538 發(fā)現(xiàn)者 漢克 克里斯汀 奧斯特德 發(fā)現(xiàn)地點(diǎn) 丹麥 發(fā)現(xiàn)日期 1825 名稱來源 源自拉丁字 alumen，指明礬 固體密度 2.70 g/cm3 摩爾體積 10.00 cm3 音速 5100 m/sec 硬度 2.75 電阻係數(shù) 2.65 mWcm 反射率 71% 熔點(diǎn) 660 C 沸點(diǎn) 2519 C 熱傳導(dǎo)係數(shù) 235 W m-1 K-1 線性熱膨脹係數(shù) 23.110-6 K-1 蝕刻物 (濕) H3PO4, HNO4, CH3COOH 蝕刻物 (乾) Cl2, BCl3 CVD 源材料 Al(CH3)2H （1）電遷移（1）電遷移KTCJAM

4、TFexp2n電遷移改善方法p+p+N型矽鋁鋁鋁SiO2oxmoxmttltwlwtlCRRC2)()(Cu1.7 mWcmAl 2.65 mWcmP型磊晶層P型晶圓N型井區(qū)P型井區(qū)n+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta 或 TaNTi/TiNSiNCuCuFSG低K介質(zhì)材料分類：nK=2.8-3.5摻的氧化物、低的旋涂玻璃n=.2.8、含的聚酰亞胺、有機(jī)硅氧烷聚合物等有機(jī)材料n.多孔型材料，可達(dá)到極低值（.），需要能經(jīng)受、刻蝕、熱處理等工藝。P型磊晶層P型晶圓N型井區(qū)P型井區(qū)n+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta 或 TaNTi/TiN

5、SiNCuCuFSG低K介質(zhì)材料的沉積與刻蝕：n沉積工藝：（1）旋涂工藝：工藝簡(jiǎn)單，缺陷密度較低，產(chǎn)率高，易于平整化，不使用危險(xiǎn)氣體（2）CVD工藝：與IC工藝兼容性好 n刻蝕要求：（1）工藝兼容性好（2）對(duì)刻蝕停止層材料選擇性高（3）能形成垂直圖形（4）對(duì)Cu無刻蝕和腐蝕（5）刻蝕的殘留物易于清除勢(shì)壘層材料:n包括介質(zhì)勢(shì)壘層和導(dǎo)電勢(shì)壘層n介質(zhì)勢(shì)壘層材料：i、i等新材料 主要功能:和介質(zhì)層形成多層結(jié)構(gòu)，防止介質(zhì)在工藝過程或環(huán)境中吸潮而影響性能。n導(dǎo)電勢(shì)壘層：、i、a、a等 主要功能：防止u擴(kuò)散、改善u的附著性、作為和刻蝕停止層、作為保護(hù)層。P型磊晶層P型晶圓N型井區(qū)P型井區(qū)n+STIp+p+U

6、SGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta 或 TaNTi/TiNSiNCuCuFSG勢(shì)壘層材料要求：n介質(zhì)勢(shì)壘層：要求介電常數(shù)低，SiN （7.8），SiC（4-6）。n金屬勢(shì)壘層：（1）好的臺(tái)階覆蓋（2）好的勢(shì)壘特性（3）低的通孔電阻（4）與Cu有好的黏附性（5）與Cu的CMP工藝兼容多晶硅：n柵極與局部互連材料n1970年代中期取代l而成為柵極材料n具高溫穩(wěn)定性 離子注入后的高溫退火所必須的 源漏自對(duì)準(zhǔn)特性n重?fù)诫snLPCVD沉積多晶硅柵極多晶硅柵極in-n-n+n+Tii沉積多晶硅柵極多晶硅柵極in-n-n+n+TiSi2TiSi2Ti退火產(chǎn)生金屬硅化物多晶硅柵極多晶硅柵極in-n

7、-n+n+TiSi2TiSi2濕法腐蝕i薄膜n自對(duì)準(zhǔn)柵技術(shù)加離子注入可以大幅減小摻雜橫向效應(yīng)引起的覆蓋電容，提高工作頻率。n多晶硅柵取代l柵，由于柵與襯底Si的功函數(shù)差減少，可以使PMOS的開啟電壓VT絕對(duì)值下降1.2-1.4V左右。n開啟電壓VTX降低后，器件充放電幅度降低，時(shí)間縮短，從而也可提高工作頻率。n開啟電壓VTX降低，整個(gè)電源電壓和時(shí)鐘脈沖電壓都可以降低，因而降低了IC功耗，提高集成度。金屬硅化物n金屬硅化物的電阻率比多晶硅低得多（約十分之一）n高溫穩(wěn)定性好n抗電遷移能力強(qiáng)n可在多晶硅上直接沉積難熔金屬制備，與現(xiàn)有硅柵工藝兼容nTiSi2, WSi2, MoSi2和 CoSi2等適合作柵和互連材料；PtSi和PdSi2則主要用于作歐姆接觸材料。多晶硅柵極多晶硅柵極in-n-n+n+TiSi2TiSi2互連體系中的材料：n金屬層n絕緣介質(zhì)層n勢(shì)壘層 第一層金屬與柵/局域互連層之間的絕緣介質(zhì)層稱為PMD（前金屬化介質(zhì)）。 金屬層之間的絕緣介質(zhì)層稱為IMD（金屬間介質(zhì)） PMD上光刻孔稱接觸孔，IMD上光刻孔稱通孔。鈦PSGTiSi2n+鎢鋁-銅絕緣介質(zhì)層的要求：n低介電常數(shù)n高擊穿場(chǎng)強(qiáng)n低漏電流密度n低表面電導(dǎo)n不吸潮n溫度承受能力在500度以上n沒有金屬離子n無揮發(fā)性殘余物存在 此外，還要求有好的黏附性、臺(tái)階覆蓋性、