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中的應用Cu及低K介質(zhì)的應用多晶硅及金屬硅化物多層布線技術金屬化及其要求金屬化:金屬及其他導電材料在IC中的應用。金屬材料的三大應用：（1）柵極材料——作為器件組成部分（2）接觸材料——與半導體材料接觸，半導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金屬化對材料的要求(1)好的界面特性（粘附性、界面態(tài)等）(2)熱、化學穩(wěn)定性(3)電導率高(4)抗電遷移性強(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體功函數(shù)的相對大小

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

當金屬與半導體之間的載流子輸運以隧道穿透為主時，Rc與半導體的摻雜濃度N及金－半接觸的勢壘高度qVb

有下面的關系

qVb在數(shù)值上等于金屬費米能級上的電子進入半導體所需的能量。結(jié)論：要獲得低接觸電阻的金－半接觸，必須減小金－半接觸的勢壘高度及提高半導體的摻雜濃度形成歐姆接觸的方式

低勢壘歐姆接觸：一般金屬和P型半導體的接觸勢壘較低

高復合歐姆接觸高摻雜歐姆接觸金屬化材料AlCu高熔點金屬（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中的應用Al在IC中的應用最常用的連線金屬第四佳的導電金屬Ag 1.6mWcmCu 1.7mWcmAu 2.2mWcmAl 2.65mWcmAl與SiO2反應：

4Al+3SiO22Al2O3+3Si

反應可以改善Al/Si歐姆接觸電阻；增強Al引線與SiO2的黏附性。鋁的基本資料Al金屬化存在的問題：（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會發(fā)生反應，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）電遷移平均失效時間MTF：50%互連線失效的時間

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絕對溫度

C與金屬條形狀、結(jié)構(gòu)有關的常數(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度金屬層,400度退火1小時,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中擴散，形成腐蝕坑，Al相應進入Si中，形成“尖鍥”。p+p+N型矽鋁鋁鋁SiO2實際上，硅在接觸孔內(nèi)并不是均勻消耗的，往往只是通過幾個點消耗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)實效，實際深度往往可以超過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，恒溫足夠時間，就可在Al-Si界面形成一層很薄的Al-Si合金。Al通過Al-Si合金和接觸孔下的重摻雜半導體接觸，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)部連線長度迅速上升金屬布線層數(shù)不斷增加互連引線的延遲時間增加銅及低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)2500萬個，連線總長度達5km估計0.07μm工藝，一個微處理器需10層金屬互連，連線總長度達10km銅及低K介質(zhì)RC常數(shù)：互連引線的延遲時間以RC常數(shù)來表征。其中，l為引線長度，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)的延遲時間。銅及低K介質(zhì)銅及低K介質(zhì)的優(yōu)勢：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，沒有應力遷移，可靠性強；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互連工藝中的關鍵技術：Cu的沉積技術低K介質(zhì)材料的選擇和沉積勢壘層材料的選擇和沉積技術Cu的CMP平整化技術大馬士革（鑲嵌式）結(jié)構(gòu)的互連工藝可靠性問題深亞微米技術的發(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工藝和技術的應用，應變硅，絕緣硅，僅有5個原子層厚、1.2nm氧化物柵極，“睡眠晶體管”技術等等。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、介電性能和力學性能與其他互連材料，如Cu及勢壘材料兼容與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：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、有機硅氧烷聚合物等有機材料Ｋ<２.０多孔型材料，可達到極低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：工藝簡單，缺陷密度較低，產(chǎn)率高，易于平整化，不使用危險氣體（2）CVD工藝：與IC工藝兼容性好刻蝕要求：（1）工藝兼容性好（2）對刻蝕停止層材料選擇性高（3）能形成垂直圖形（4）對Cu無刻蝕和腐蝕（5）刻蝕的殘留物易于清除銅及低K介質(zhì)勢壘層材料:包括介質(zhì)勢壘層和導電勢壘層介質(zhì)勢壘層材料：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)在工藝過程或環(huán)境中吸潮而影響性能。導電勢壘層：ＷＮ、ＴiＮ、Ｔa、ＴaＮ等主要功能：防止Ｃu擴散、改善Ｃu的附著性、作為ＣＭＰ和刻蝕停止層、作為保護層。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)勢壘層材料要求：介質(zhì)勢壘層：要求介電常數(shù)低，SiN

（7.8），SiC（4-6）。金屬勢壘層：（1）好的臺階覆蓋（2）好的勢壘特性（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準特性重摻雜LPCVD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薄膜自對準柵技術加離子注入可以大幅減小摻雜橫向效應引起的覆蓋電容，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的開啟電壓VT絕對值下降1.2-1.4V左右。開啟電壓VTX降低后，器件充放電幅度降低，時間縮短，從而也可提高工作頻率。開啟電壓VTX降低，整個電源電壓和時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當電路的特征尺寸小于2m時，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的自對準工藝：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,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電導率多晶硅/硅化物復合柵結(jié)構(gòu)多晶硅柵極ＳiＯ２n-n-n+n+TiSi2TiSi2多層布線技術多層布線技術為何要采用多層布線技術？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可以成倍增加互連線面積此外，多層互連技術還有以下優(yōu)點：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)2500萬個，連線總長度達5km估計0.07μm工藝，一個微處理器需10層金屬互連，連線總長度達10km多層布線技術互連體系中的材料：金屬層絕緣介質(zhì)層勢壘層

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-銅多層布線技術絕緣介質(zhì)層的要求：低介電常數(shù)高擊穿場強低漏電流密度低表面電導不吸潮溫度承受能力在500度以上沒有金屬離子無揮發(fā)性殘余物存在此外，還要求有好的黏附性、臺階覆蓋性、低缺陷、易刻蝕等等。多層布線工藝流程多層布線技術平坦化：在IC制造過程中，經(jīng)過多步加工工藝后，硅片表面變得很不平整，存在臺階。臺階的存在會影響薄膜沉積時的覆蓋效果，可能引起電路失效。對金屬層和介質(zhì)層都要進行平坦化處理，以減小或消除臺階的影響，改善臺階覆蓋的效果。隨著互連層數(shù)的增加和工藝特征尺寸的縮小，平整度要求越來越高。多層布線技術不同程度平坦化第一類平坦化：尖角圓滑，臺階高度不變第二類平坦化：尖角圓滑，臺階高度減小