金屬化和多層互連

金屬化與多層互連金屬化及其要求Al在IC中的應(yīng)用Cu及低K介質(zhì)的應(yīng)用多晶硅及金屬硅化物多層布線技術(shù)金屬化及其要求金屬化:金屬及其他導(dǎo)電材料在IC中的應(yīng)用。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1,Al?CuBPSGWP型磊晶層TiSi2TiN,ARCTi/TiN金屬化對(duì)材料的要求(1)好的界面特性（粘附性、界面態(tài)等）(2)熱、化學(xué)穩(wěn)定性(3)電導(dǎo)率高(4)抗電遷移性強(qiáng)(5)接觸電阻小(6)易加工（沉積、刻蝕、鍵合）(7)多層間絕緣性好（擴(kuò)散阻擋層）HighspeedHighreliabilityHighdensity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

特征電阻Rc

衡量歐姆接觸質(zhì)量的參數(shù)是特征電阻Rc

定義：零偏壓下的電流密度對(duì)電壓偏微商的倒數(shù)比接觸電阻的單位:歐姆.cm2接觸電阻R=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)體的摻雜濃度形成歐姆接觸的方式

低勢(shì)壘歐姆接觸：一般金屬和P型半導(dǎo)體的接觸勢(shì)壘較低

高復(fù)合歐姆接觸高摻雜歐姆接觸金屬化材料AlCu高熔點(diǎn)金屬（W、Mo、Ta、Ti等）多晶硅金屬硅化物（WSi2、MoSi2、TiSi2等）此外，還要考慮介質(zhì)材料，阻擋層，墊層等。Al在IC中的應(yīng)用Al在IC中的應(yīng)用最常用的連線金屬第四佳的導(dǎo)電金屬Ag 1.6mWcmCu 1.7mWcmAu 2.2mWcmAl 2.65mWcmAl與SiO2反應(yīng)：

4Al+3SiO22Al2O3+3Si

反應(yīng)可以改善Al/Si歐姆接觸電阻；增強(qiáng)Al引線與SiO2的黏附性。鋁的基本資料Al金屬化存在的問(wèn)題：（1）大電流密度下，有顯著的電遷移現(xiàn)象（2）高溫下，Al和Si、SiO2會(huì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生“尖鍥”現(xiàn)象。（1）電遷移Al為多晶材料，包含很多單晶態(tài)晶粒。大電流密度下，Al原子沿電流方向的定向遷移，多沿晶粒邊界。電遷移造成短路或斷路，造成器件失效，影響IC可信度。（1）電遷移平均失效時(shí)間MTF：50%互連線失效的時(shí)間

式中A金屬條橫截面積(cm2)J電流密度(A/cm2)

金屬離子激活能(ev)k玻爾茲曼常數(shù)

T絕對(duì)溫度

C與金屬條形狀、結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)電遷移改善方法：（1）竹狀結(jié)構(gòu)：晶粒邊界垂直于電流方向。（2）Al-Cu，Al-Si-Cu合金：少量Cu的加入可以顯著改善抗電遷移性能

(3)三明治結(jié)構(gòu):兩層鋁膜之間夾一層過(guò)度金屬層,400度退火1小時(shí),在鋁膜之間形成金屬化合物。(2)Al的“尖鍥”現(xiàn)象硅不均勻溶解到Al中，并向Al中擴(kuò)散，形成腐蝕坑，Al相應(yīng)進(jìn)入Si中，形成“尖鍥”。p+p+N型矽鋁鋁鋁SiO2實(shí)際上，硅在接觸孔內(nèi)并不是均勻消耗的，往往只是通過(guò)幾個(gè)點(diǎn)消耗Si，因此這些地方的深度很大，Al在這里象尖釘一樣鍥入Si中，使pn結(jié)實(shí)效，實(shí)際深度往往可以超過(guò)1um。Al/Si接觸的改善合金化：采用含少量Si的Al-Si合金（一般為1%）,由于合金中已存在足量的Si，可以抑制底層Si的擴(kuò)散，防止“尖鍥”現(xiàn)象。

在300oC以上，硅就以一定比例熔于鋁中，在此溫度，恒溫足夠時(shí)間，就可在Al-Si界面形成一層很薄的Al-Si合金。Al通過(guò)Al-Si合金和接觸孔下的重?fù)诫s半導(dǎo)體接觸，形成歐姆接觸

Al-Si系統(tǒng)一般合金溫度為450－500oCAl/Si接觸的改善Al-阻擋層結(jié)構(gòu)：在Al與Si之間沉積一層薄阻擋層，限制Al“尖鍥”現(xiàn)象。希望阻擋層與Si有好的黏附性和低的歐姆接觸電阻，可以采用硅化物，如PtSi、Pd2Si或CoSi2，也可采用Ti、TiN、TaN和WN等。銅及低K介質(zhì)金屬化及多層布線的發(fā)展：電路特征尺寸不斷縮小芯片引線數(shù)急劇增加芯片內(nèi)部連線長(zhǎng)度迅速上升金屬布線層數(shù)不斷增加互連引線的延遲時(shí)間增加銅及低K介質(zhì)Intel奔騰IIIMerced（1999）6層金屬互連，0.18μm工藝，集成晶體管數(shù)2500萬(wàn)個(gè)，連線總長(zhǎng)度達(dá)5km估計(jì)0.07μm工藝，一個(gè)微處理器需10層金屬互連，連線總長(zhǎng)度達(dá)10km銅及低K介質(zhì)RC常數(shù)：互連引線的延遲時(shí)間以RC常數(shù)來(lái)表征。其中，l為引線長(zhǎng)度，w為引線寬度，tm為引線厚度，tox為介質(zhì)層厚度。從中可以看出，采用低電阻率的互連材料和低介電常數(shù)的介質(zhì)材料可以有效降低互連系統(tǒng)的延遲時(shí)間。銅及低K介質(zhì)銅及低K介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)：銅的電阻率低，可以極大降低互連引線電阻；Cu 1.7mWcmAl

2.65mWcm銅的抗電遷移能力強(qiáng)，沒(méi)有應(yīng)力遷移，可靠性強(qiáng)；低K介質(zhì)，減少了分布電容；

所以，采用銅及低K介質(zhì)可以進(jìn)一步減小引線寬度和厚度，提高集成電路的密度。銅及低K介質(zhì)Cu互連工藝中的關(guān)鍵技術(shù)：Cu的沉積技術(shù)低K介質(zhì)材料的選擇和沉積勢(shì)壘層材料的選擇和沉積技術(shù)Cu的CMP平整化技術(shù)大馬士革（鑲嵌式）結(jié)構(gòu)的互連工藝可靠性問(wèn)題深亞微米技術(shù)的發(fā)展：90nm、45nm線寬300mm（12寸）晶圓銅及低K介質(zhì)系統(tǒng)集成（SOC）其中涉及到大量相關(guān)工藝和技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)變硅，絕緣硅，僅有5個(gè)原子層厚、1.2nm氧化物柵極，“睡眠晶體管”技術(shù)等等。銅及低K介質(zhì)大馬士革（鑲嵌式）工藝：不同與Al互連，Cu互連工藝中缺乏合適的Cu刻蝕工藝，因此采用大馬士革（鑲嵌式）方法。工藝步驟：（1）沉積刻蝕阻擋層（2）沉積介質(zhì)層（3）光刻制備引線溝槽

(4)光刻制備接觸孔（5）濺射勢(shì)壘層和籽晶層（6）沉積Cu金屬層（7）CMP金屬層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/TiNSiNCuCuFSG銅及低K介質(zhì)低K介質(zhì)材料要求：介電常數(shù)K小于3.5（SiO2為3.9）好的材料特性、熱性能、介電性能和力學(xué)性能與其他互連材料，如Cu及勢(shì)壘材料兼容與IC工藝兼容工藝成本低能在特定條件下工作，穩(wěn)定可靠銅及低K介質(zhì)低K介質(zhì)材料分類(lèi)：K=2.8-3.5摻Ｆ的氧化物、低Ｋ的ＳＯＧ旋涂玻璃Ｋ=２.５－2.8ＰＡＥ、含Ｆ的聚酰亞胺、ＢＣＢ、有機(jī)硅氧烷聚合物等有機(jī)材料Ｋ<２.０多孔型材料，可達(dá)到極低Ｋ值（１.１），需要能經(jīng)受ＣＭＰ、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/TiNSiNCuCuFSG銅及低K介質(zhì)低K介質(zhì)材料的沉積與刻蝕：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(wú)刻蝕和腐蝕（5）刻蝕的殘留物易于清除銅及低K介質(zhì)勢(shì)壘層材料:包括介質(zhì)勢(shì)壘層和導(dǎo)電勢(shì)壘層介質(zhì)勢(shì)壘層材料：ＳiＮ、ＳiＣ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(guò)程或環(huán)境中吸潮而影響性能。導(dǎo)電勢(shì)壘層：ＷＮ、ＴiＮ、Ｔa、ＴaＮ等主要功能：防止Ｃu擴(kuò)散、改善Ｃu的附著性、作為ＣＭＰ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+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta或TaNTi/TiNSiNCuCuFSG銅及低K介質(zhì)勢(shì)壘層材料要求：介質(zhì)勢(shì)壘層：要求介電常數(shù)低，SiN

（7.8），SiC（4-6）。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工藝兼容多晶硅及金屬硅化物多晶硅及金屬硅化物

多晶硅：柵極與局部互連材料1970年代中期取代Ａl而成為柵極材料具高溫穩(wěn)定性離子注入后的高溫退火所必須的源漏自對(duì)準(zhǔn)特性重?fù)诫sLPCVD沉積多晶硅柵極ＳiＯ２n-n-n+n+TiＴi沉積多晶硅柵極ＳiＯ２n-n-n+n+TiSi2TiSi2Ti退火產(chǎn)生金屬硅化物多晶硅柵極ＳiＯ２n-n-n+n+TiSi2TiSi2濕法腐蝕Ｔi薄膜自對(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。多晶硅柵取代Ａl柵，由于柵與襯底Si的功函數(shù)差減少，可以使PMOS的開(kāi)啟電壓VT絕對(duì)值下降1.2-1.4V左右。開(kāi)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。開(kāi)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。多晶硅及金屬硅化物

多晶硅可作為互連引線；電阻率：多晶硅>難熔金屬硅化物>難熔金屬>Al>Cu當(dāng)電路的特征尺寸小于2m時(shí)，摻雜多晶硅就不適用作互連材料。必須采用比多晶硅低得多的電阻率，而同時(shí)又能保持多晶硅原有的工藝兼容性的材料。金屬硅化物金屬硅化物的電阻率比多晶硅低得多（約十分之一）高溫穩(wěn)定性好抗電遷移能力強(qiáng)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TiSi2,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。多晶硅及金屬硅化物

制備方法：共蒸發(fā)、共濺射、合金靶濺射，CVD等。TiSi2

和CoSi2的自對(duì)準(zhǔn)工藝：濺射剝離從襯底表面去除原生氧化層Ti或Co沉積退火形成金屬硅化物Ti或Co不與SiO2反應(yīng),金屬硅化物在硅和Ti或Co接觸處形成去除Ti或Co選擇性再次退火以增強(qiáng)電導(dǎo)率多晶硅/硅化物復(fù)合柵結(jié)構(gòu)多晶硅柵極ＳiＯ２n-n-n+n+TiSi2TiSi2多層布線技術(shù)多層布線技術(shù)為何要采用多層布線技術(shù)？集成度提高器件數(shù)目增加互連線增加互連面積增加多層互連技術(shù)可以成倍增加互連線面積此外，多層互連技術(shù)還有以下優(yōu)點(diǎn)：增加連線間隔，降低連線電容降低連線干擾，提高工作頻率集成度提高，系統(tǒng)工作速度加快，單個(gè)芯片成本降低Intel奔騰IIIMerced（1999）6層金屬互連，0.18μm工藝，集成晶體管數(shù)2500萬(wàn)個(gè)，連線總長(zhǎng)度達(dá)5km估計(jì)0.07μm工藝，一個(gè)微處理器需10層金屬互連，連線總長(zhǎng)度達(dá)10km多層布線技術(shù)互連體系中的材料：金屬層絕緣介質(zhì)層勢(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(chēng)為PMD（前金屬化介質(zhì)）。

金屬層之間的絕緣介質(zhì)層稱(chēng)為IMD（金屬間介質(zhì)）

PMD上光刻孔稱(chēng)接觸孔，IMD上光刻孔稱(chēng)通孔。鈦PSGTiSi2n+鎢鋁-銅多層布線技術(shù)絕緣介質(zhì)層的要求：低介電常數(shù)高擊穿場(chǎng)強(qiáng)低漏電流密度低表面電導(dǎo)不吸潮溫度承受能力在500度以上沒(méi)有金屬離子無(wú)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、低缺陷、易刻蝕等等。多層布線工藝流程多層布線技術(shù)平坦化：在IC制造過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多步加工工藝后，硅片表面變得很不平整，存在臺(tái)階。臺(tái)階的存在會(huì)影響薄膜沉積時(shí)的覆蓋效果，可能引起電路失效。對(duì)金屬層和介質(zhì)層都要進(jìn)行平坦化處理，以減小或消除臺(tái)階的影響，改善臺(tái)階覆蓋的效果。隨著互連層數(shù)的增加和工藝特征尺寸的縮小，平整度要求越來(lái)越高。多層布線技術(shù)不同程度平坦化第一類(lèi)平坦化：尖角圓滑，臺(tái)階高度不變第二類(lèi)平坦化：尖角圓滑，臺(tái)階高度減小