半导体工艺技术 (2)

1 半导体工艺技术 张晓波xbzhang 三教2406 2512微电子实验室Tel 8880311813681100693 2 接触与互联将器件连接成特定的电路结构 金属线及介质的制作 使得金属线在电学和物理上均被介质隔离 全局互连 Al 局部互连 多晶硅 硅化物 TiN IMD 接触 contact 金属和硅的结合部通孔 via 用于连接不同层的金属连线金属间介质 IMD 钝化层 passivation PMD 3 后端工艺越来越重要占了工艺步骤中大部分影响IC芯片的速度 多层金属互连增加了电路功能并使速度加快 4 互连的速度限制可以作简单的估计 由全局互连造成的延迟可以表达为 其中eox是介质的介电常数 K是边缘场效应的修正系数 r是金属线的电阻率 e 5 对IC金属化系统的主要要求 1 金属和半导体形成低阻接触 2 低阻互连 3 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 4 台阶覆盖好 5 结构稳定 不发生电迁移及腐蚀现象 6 易刻蚀 7 制备工艺简单 电学 机械 热学 热力学及化学 6 可能形成互连的导电材料 金属 metal lowresistivity多晶硅 poly Si Mediumresistivity 硅化物 metalsilicides 介于以上二者之间 7 8 定义 零偏压附近电流密度随电压的变化率 比接触电阻 c的单位 Wcm2或 m2接触电阻 衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻 c 重掺杂硅 金属线 接触面积A 金属 Si之间 c在10 5 10 9Wcm2金属 金属之间 c 10 8Wcm2 9 欧姆接触 整流接触 金半接触 10 当金属与半导体之间的载流子输运以隧道穿透为主时 c与半导体的掺杂浓度N及金 半接触的势垒高度q b有下面的关系q b在数值上等于金属费米能级上的电子进入半导体所需的能量 结论 要获得低接触电阻的金 半接触 必须减小金 半接触的势垒高度及提高半导体的掺杂浓度 11 形成欧姆接触的方式 低势垒欧姆接触 一般金属和p型半导体的接触势垒较低高掺杂欧姆接触 Al n typeSi势垒高度0 7eV需高掺杂欧姆接触 Al p typeSi势垒高度0 4eV 1 12eV 12 最常用的材料是Al 采用溅射淀积 Al金属化系统失效的现象Al的电迁移 Electromigration Al Si接触中的尖楔现象Cu正全面取代Al 铝互连技术 13 1 铝的电迁移 当大密度电流流过金属薄膜时 具有大动量的导电电子将与金属原子发生动量交换 使金属原子沿电子流的方向迁移 这种现象称为金属电迁移电迁移会使金属原子在阳极端堆积 形成小丘或晶须 造成电极间短路 在阴极端由于金属空位的积聚而形成空洞 导致电路开路 Hillock 14 15 2 Al Si接触中的尖楔现象 1 硅和铝不能发生化学反应形成硅化物 但是退火温度下 400 500 C 硅在铝中的固溶度较高 固溶度随温度呈指数增长 会有相当可观的硅原子溶解到Al中 2 退火温度下 Si在Al膜中的扩散系数非常大 在薄膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的40倍 3 Al和SiO2会发生反应 4Al 3SiO2 2Al2O3 3SiAl与Si接触时 Al可以 吃掉 Si表面的天然SiO2层 1nm 使接触电阻下降 可以增加Al与SiO2的粘附性 SiO2厚度不均匀 会造成严重的尖楔现象 16 铝的尖楔SEM照片 17 解决电迁移问题的方法在Al中加入0 5 4 的Cu可以降低铝原子在晶间的扩散系数 但同时电阻率会增加 18 金属硅化物作为接触材料 特点 类金属 低电阻率 0 01 多晶硅 高温稳定性好 抗电迁移能力强 与硅工艺兼容性好 常用接触和扩散阻挡 19 多层布线技术 Multilevel MultilayerMetallization 器件制备 20 介质层 inter metaldielectric SiO2 CVD SiH4源 PECVDSiO2 TEOS SOG 低介电常数材料必须满足诸多条件 例如 足够的机械强度以支撑多层连线的架构高杨氏系数高击穿电压 4MV cm 低漏电 450oC 良好的粘合强度低吸水性低薄膜应力高平坦化能力低热涨系数以及与化学机械抛光工艺的兼容性等等 Low kintegration 21 22 Lowkpolymer 23 化学机械抛光CMP 1 随着特征尺寸的减小 受到光刻分辨率的限制 R 则l 和 或NA DOF下降 例如 0 25mm技术节点时 DOF 208nm0 18mm技术节点时 DOF 150nm 0 25mm后 必须用CMP才能实现表面起伏度 200nm 必要性 24 2 可以减少金属在介质边墙处的减薄现象 改善金属互连性能 不平坦时的台阶覆盖问题 使用CMP之后 25 CMP 三个关键硬件 PolishingpadWafercarrierSlurrydispenser 26 接触和互连总结 金半接触类型 整流接触 n Si M欧姆接触 p Si Al n Si p Si M硅化物接触 低阻 欧姆接触 掺Cu Si 阻挡层 TiN 金属硅化物 平坦化技术 CMP 27 MOS隔离技术栅结构及自对准技术铜互连技术先进CMOS集成工艺 工艺集成 28 MOSIC的基本隔离技术 MOS晶体管是自隔离 MOS可有较高的密度 但邻近的器件会有寄生效应 希望场区的VTF大 VTF要高于电源电压3 4V 保证寄生MOS管的电流小于1pA 器件间距近或温度升高均会使VTF下降 T从25 125 C VTF下降2V 29 MOSIC的基本隔离技术 增加场区VT的方法场氧化层增厚 是栅氧化层的7 10倍场氧化区下面增加掺杂浓度 Channel stopimplant 沟道阻断注入 30 1 LOCOS局部氧化隔离技术 40nm 80nm 50keV 1 1013cm 2 31 LOCOS工艺存在的问题 1 鸟嘴效果 不利于集成度提高 2 表面不平整 不利于光刻和薄膜淀积 32 改进的LOCOS工艺 PBL polybufferedLOCOS 在LPCVDSi3N4前 先淀积一层多晶硅 让多晶硅消耗场氧化时横向扩散的O 鸟嘴可减小至0 1 0 2mm 33 PBL 有利于集成度的提高减少Si3N4对硅衬底的应力 34 2 STI ShallowTrenchInsulation 浅沟槽隔离 LOCOS PBL可用于技术节点 0 35 0 5mm 0 35mm必须使用STI 1 硅片清洗 2 垫底氧化 20nm 35 3 LPCVD氮化硅 100nm 4 隔离区光刻 5 浅沟槽刻蚀 0 5mm 36 6 热生长氧化硅阻挡层 20nm 7 场区沟道阻断注入 8 CVD氧化硅充填沟槽 37 9 CMP平坦化 10 刻蚀氮化硅 退火致密化CVD氧化硅 38 现代STI技术 CMOS 2 HDPCVD 退火致密化 1 减少了沟道阻断注入 USG Un dopedSilicateGlass SiH4 O2 Ar USG volatiles 39 3 CMP平坦化 4 回刻氮化硅和USG 40 栅结构及自对准技术 早期为SiO2 金属栅 Al栅 随着集成度的提高 需要降低VT 采用多晶硅栅后 VT可以下降1 2 1 4V 多晶硅栅的其它优势 可以通过掺杂改变 MS 如n poly可以使VT下降1 1V 既工业界常用的双多晶栅dual poly n p 工艺 多晶栅自对准技术 可以进一步提高集成度 且Al不适合后期离子注入退火等高温铝栅也不利于减小源 漏区的串联电阻 41 1 多晶硅栅自对准技术 42 LDD spacer多晶硅自对准技术 1 LDD注入 2 边墙形成 43 3 离子注入 退火 TiSi2 CoSi2 NiSi 自对准离子注入 44 SALICIDEProcess a BasicMOSFETstructurefabricated 45 铜互连技术 Copper LowkDualDamascene DD 大马士革双镶嵌工艺 46 PVDCu籽晶层 ECP 电镀 47 先进SOICMOS集成工艺 SOI 五层Cu互连结构 48 49 50 Wafercleaning 51 Wafercleaning 52 53 alignment exposure PEB developmentandinspection mask0 54 StripPRandScreenOxideWafercleaning 55 PadthermaloxidationLPCVDNitride 56 57 PRcoatingandpre baking mask1 58 PEB development inspectionEtchpadoxideandnitride 59 StripPR etchSi 60 61 62 Stripnitride oxideWafercleaning 63 64 65 mask2 PRcoatingandpre baking maskalignment exposure PEB developmentandinspection 66 67 68 69 70 mask3 PRcoatingandpre baking maskalignment exposure PEB developmentandinspection 71 72 73 StripPR sacrificialoxideWafercleaning 74 75 76 77 mask4 a Sietching PRcoatingandpre baking maskalignment exposure PEB developmentandinspection 78 StripPR wafercleaning a Siannealingandoxidation oxide 79 80 mask5 PRcoatingandpre baking maskalignment exposure PEB developmentandinspection 81 82 83 84 mask6 PRcoatingandpre baking maskalignment exposure PEB developmentandinspection 85 86 87 88 89 90 mask7 PRcoatingandpre baking maskalignment exposure PEB developmentandinspection 91 92 93 94 PRcoatingandpre baking maskalignment exposure PEB developmentandinspection mask8 95 96 97 98 Ar2Sputteringetching SiO2及刻蚀清洗 99 100 101 102 103 104 105 PRcoatingandpre baking maskalignment exposure PEB developmentandinspection mask8 106 Nitride 107 108 Ar2sputteringetching 109 110 111 112 Ar2Sputteringetching SOD SpinOnDielectr