第七章 接触与互连

1、微电子工艺学 Microelectronic Processing 第七章 接触与互连 张道礼张道礼 教授教授 Email: Email: zhang-zhang- Voice: 87542894Voice: 87542894 后端工艺后端工艺backend of the line technology (BEOL)backend of the line technology (BEOL)：将器件连将器件连 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。物理上均被介质隔离。 全局互连全局互连 （AlAl

2、） 局部互连局部互连 （多晶硅（多晶硅, , 硅化物硅化物, , TiNTiN） （IMDIMD） 接触（接触（contactcontact）金属和硅的结合部金属和硅的结合部 通孔（通孔（viavia）用于连接不同层的金属连线用于连接不同层的金属连线 金属间介质（金属间介质（IMDIMD） 钝化层（钝化层（passivationpassivation） （PMDPMD） 7.1 7.1 概述概述 后端工艺越来越重要后端工艺越来越重要 占了工艺步骤中大部分占了工艺步骤中大部分 影响影响ICIC芯片的速度芯片的速度 多层金属互连多层金属互连 增加了电路功增加了电路功 能并使速度加能并使速度加 快快

3、 7.1 7.1 概述概述 互连的速度限制的简单估计互连的速度限制的简单估计 由全局互连造成的延迟可以表达为：由全局互连造成的延迟可以表达为： 其中其中e eox ox是介质的介电常数， 是介质的介电常数，K K是边缘场是边缘场 效应的修正系数，效应的修正系数，r r是金属线的电阻率是金属线的电阻率 e 7.1 7.1 概述概述 7.2 7.2 金属化金属化 金属化：金属化：是指用于互连、欧姆接触、金属-半导体 整流接触的金属膜的形成过程。半导体物理中讨论 过欧姆接触及整流接触的电流-电压特性。金属膜 可用多种方法形成，最重要的是物理气相淀积法和 化学气相淀积法。将讨论两类最重要的金属：铝、

4、铜及金属硅化物。这些金属广泛用于分立器件及集 成电路。 对对ICIC金属化系统的主要要求金属化系统的主要要求 (1) (1) 金属和金属和n+n+硅和硅和p+p+硅或多晶硅硅或多晶硅半导体形成低阻接触半导体形成低阻接触 (2) (2) 能提供低电阻的互连引线，从而提高电路速度能提供低电阻的互连引线，从而提高电路速度 (3) (3) 与绝缘体与绝缘体( (如二氧化硅如二氧化硅) )或其它介质层的粘附性好或其它介质层的粘附性好 (4) (4) 台阶覆盖好台阶覆盖好 (5) (5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象 (6) (6) 易于淀积和刻蚀易于淀积和刻蚀 (7)

5、 (7) 制备工艺简单制备工艺简单 (8) (8) 易键合，且键合点能经受长期工作易键合，且键合点能经受长期工作 (9) (9) 层与层之间绝缘要好，不互相渗透和扩散，即要求有层与层之间绝缘要好，不互相渗透和扩散，即要求有 一个扩散阻挡层一个扩散阻挡层 电学、机械、热学、热力学及化学电学、机械、热学、热力学及化学 7.2 7.2 金属化金属化 可能形成互连的导电材料可能形成互连的导电材料 金属金属 (metal)(metal)：low resistivitylow resistivity 多晶硅多晶硅(polySi)(polySi)：Medium resistivity)Medium resi

6、stivity) 硅化物硅化物(metal silicides)(metal silicides)：介于以上二者之间：介于以上二者之间 7.2 7.2 金属化金属化 常用金属薄膜比较常用金属薄膜比较 金膜金膜：早期的金属化材料 缺点：与Si的接触电阻很高，下部需要一个铂中间层；柔软，上部 需要一层钼；优点：导电性最好。 工艺：溅射 铜膜：新一代的金属化材料，超大规模集成电路的内连线 缺点：与Si的接触电阻高，不能直接使用；铜在Si中是快扩散杂质 ，能使Si中毒，铜进入Si内改变器件性能；与Si、SiO2粘附性差。 优点：电阻率低（只有铝的40-45%） ，导电性较好；抗电迁移性 好于铝两个数量

7、级。 工艺：溅射 铝膜: 大多数微电子器件或集成电路是采用铝膜做金属化材料 缺点：抗电迁移性差；耐腐蚀性、稳定性差 ；台阶覆盖性较差。 优点：导电性较好；与p-Si，n+-Si（51019 ）能形成良好的欧 姆接触；光刻性好；与二氧化硅黏合性好；易键合。 工艺：蒸发，溅射 7.2 7.2 金属化金属化 9 Properties of Interconnect Materials MaterialThin film resistivity (cm)Melting point (oC) Al2.7-3.0660 W8-153410 Cu1.7-2.01084 Ti40-701670 PtSi28-

8、351229 C54 TiSi213-161540 WSi230-702165 CoSi215-201326 NiSi12-20992 TiN50-1502950 Ti30W7075-2002200 Heavily doped poly-Si450-100001417 7.2 7.2 金属化金属化 10 定义：零偏压附近电流密定义：零偏压附近电流密 度随电压的变化率度随电压的变化率 0 1 V c dV dJ 比接触电阻比接触电阻 c c 的单位 的单位: Wcm: Wcm2 2 或或 mm2 2 接触电阻接触电阻： 衡量欧姆接触质量的参数是衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻比接触电阻 c 重

9、掺杂硅重掺杂硅 金属线金属线 接触面积接触面积A A 金属金属SiSi之间，之间， c c在在1010-5 -5 1010-9 -9 Wcm Wcm2 2 金属金属之间，金属金属之间， c c10101019 19/cm /cm3 3 N mq sb c e * 2exp 7.2 7.2 金属化金属化 形成欧姆接触的方式形成欧姆接触的方式 低势垒欧姆接触：一般金属和低势垒欧姆接触：一般金属和p p型半导体型半导体 的接触势垒较低的接触势垒较低 高掺杂欧姆接触高掺杂欧姆接触 Al/Al/n n-type Si-type Si势垒高度势垒高度 0.7 eV0.7 eV 需高掺杂欧姆接触需高掺杂欧姆

10、接触 Al/Al/p p-type Si-type Si势垒高度势垒高度 0.4 eV0.4 eV 1.12 eV1.12 eV 7.2 7.2 金属化金属化 因为铝及铝合金具有低电阻率(铝约为2.7cm， 铝合金最高约为3.5cm)，故可满足低电阻的 需求，此外，铝附着于二氧化硅上的特性极佳。因 此，铝及铝合金在IC金属化工艺中使用范围相当 广泛，铝膜的淀积可由PVD或CVD的方式完成。 然而IC工艺中使用铝于浅结上易造成尖锲(spiking) 或电迁移(electromigration)的问题 7.2 7.2 金属化金属化 最常用的材料是最常用的材料是AlAl：采用溅射淀积：采用溅射淀积

11、Al Al 金属化系统失效的现象金属化系统失效的现象 AlAl的电迁移（的电迁移（ElectromigrationElectromigration） Al/SiAl/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象 CuCu正全面取代正全面取代AlAl 铝互连技术铝互连技术 7.2 7.2 金属化金属化 16 Al/SiAl/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象 1 1）硅和铝不能发生化学反应形成硅化物，但在退火温度）硅和铝不能发生化学反应形成硅化物，但在退火温度 下（下（400-500 400-500 C C），硅在铝中的固溶度较高（固溶度），硅在铝中的固溶度较高（固溶度 随温度呈指数增长），会有可观的

12、硅原子溶解到随温度呈指数增长），会有可观的硅原子溶解到AlAl中。中。 2 2）退火温度下，）退火温度下，SiSi在在AlAl膜中的扩散系数非常大膜中的扩散系数非常大在薄在薄 膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的4040倍。倍。 3) Al3) Al和和SiOSiO2 2会发生反应：会发生反应：4Al+3SiO4Al+3SiO2 22Al2Al2 2O O3 3+3Si+3Si AlAl与与SiSi接触时，接触时，AlAl可以可以“吃掉吃掉”SiSi表面的天然表面的天然SiOSiO2 2层层 ( (1 nm)1 nm)，使接触电阻下降；，使接触电阻下降； 可以增加可以增

13、加AlAl与与SiOSiO2 2的粘附性。的粘附性。 SiOSiO2 2厚度不均匀，会造成严重的尖楔现象。厚度不均匀，会造成严重的尖楔现象。 7.2 7.2 金属化金属化 一、结尖锲 右图为1atm下铝-硅体系的相 图，显示两种材料的组成比例 与温度间的关系铝-硅体系 有低共熔特性，即将两者互相 掺杂时，合金的熔点较两者中 任何一种材料都低，熔点的最 低点称为共熔温度(eutectic temperature)，Al-Si体系为 577，相当于硅占11.3、 铝占88.7的合金熔点而纯 铝与纯硅的熔点分别为660 及1412，基于此特性，淀 积铝膜时硅衬底的温度必须低 于577 。 7.2 7

14、.2 金属化金属化 右图中的插图为硅元素在铝 中的固态溶解度。如400 时硅在铝中的固态溶解度约 为0.25(重量比，下同)； 450时为0.5；500 时为0.8。因此，铝与硅 接触时，硅将会溶解到铝中， 其溶解量不仅与退火温度有 关，也和铝的体积有关 7.2 7.2 金属化金属化 考虑一铝的长导线，铝与硅的接触面积为ZL，经退火时 间t后，硅将沿与铝线接触的边缘扩散，长度为(Dt)1/2， 假设硅在此段膜中已经达到饱和，则消耗硅的体积为（S 为退火后硅在铝中的固溶度） 2 Al Si VDtHZS 2 0.92 4 10exp()D kT 7.2 7.2 金属化金属化 假设硅很均匀地消耗在

15、接触面 积ZL上，则被消耗的硅的厚度 约为： 2 Al Si HZ bDtS A 考虑一铝的长导线，铝与硅的接触面积为ZL=16m2， Z=5m，H=1m，在T=500退火时间t=30min后， 求被消耗的硅的厚度。计算时假设为均匀溶解。 7.2 7.2 金属化金属化 解：500时硅在铝中的扩散系数约 为210-8cm2/s，故扩散长度约为 60m，铝与硅的密度比值约为 2.7/2.33=1.16；500时的S约为 0.8%。则被消耗的硅的厚度约为： 20.35m Al Si HZ bDtS A 此结果下，铝将填入硅中的深度约为 0.35m。若该接触区有浅结，其深 度比b要小，则硅扩散至铝中将

16、可能 造成结短路。 事实上，硅并不会均匀地溶解，而是发生在某些点上下 图为在p-n结中，铝穿透到硅中的实际情形，可观察到仅 有少数几个点有尖锲形成 7.2 7.2 金属化金属化 铝的尖楔铝的尖楔SEMSEM照片照片 7.2 7.2 金属化金属化 减少铝尖锲的方法一种是将铝与硅共同蒸发，使铝中的硅含量到 达固态溶解的要求。另一种方法是在铝与硅衬底中加入金属阻挡 层(Diffusion Barrier) (如下图所示)。此层必须满足以下的要求： 与硅形成的接触电阻要小； 不会与铝起反应； 淀积及形成方式必须与其他所有工艺相容。 目前，经评估发现TiN可在550、30min退火环境下呈现稳定状 态，

17、适合作为金属阻挡层。 7.2 7.2 金属化金属化 铝的电迁移铝的电迁移 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 e voidHillock 7.2 7.2 金属化金属化 电迁移引起的到平均失效时间（MTF）与电流密 度J及激活能Ea间的关系大致为 2 1 exp() a E MTF JkT 铝膜的Ea0.5eV，这表明材料迁移主要形式是 低温下晶粒间界扩散，因为单晶铝自扩散的Ea

18、1.4eV。 7.2 7.2 金属化金属化 7.2 7.2 金属化金属化 阻止电迁移的方法有阻止电迁移的方法有 与0.54铜形成合金(可以降低铝原子在晶间可以降低铝原子在晶间 的扩散系数。但同时电阻率会增加！的扩散系数。但同时电阻率会增加！)、以介质 将导通封闭起来、淀积时加氧。 由于铜的抗电迁移性好，铝-铜（0.5-4%）或铝 -钛（0.1-0.5%）合金结构防止电迁移，结合Al- Si合金，在实际应用中人们经常使用既含有铜又 含有硅的Al-Si-Cu合金以防止合金化（即共熔） 问题和电迁移问题。 7.2 7.2 金属化金属化 铜镀膜铜镀膜 为降低金属连线的RC时间延迟，需使用高电导率的导线

19、 与低介电常数的绝缘层，这已是大家的共识。对未来新 的金属连线工艺，铜是很明显的选择，因为相对于铝， 它具有较高的导电性与较强的电迁移抵抗能力。铜的淀 积可用PVD、CVD及电化学等方式。然而相对于铝， 在ULSI电路的领域中，铜的使用亦有其缺点。例如， 在标准的芯片工艺下，有易腐蚀的倾向、缺乏可行的干 法刻蚀方式、不像铝有稳定的自我钝化(self- passivating)氧化物Al2O3以及与介质(如二氧化硅或低 介电常数的聚合物)的附着力太差等。 7.2 7.2 金属化金属化 各种用来制作多层铜导线的技术相继被提出第一种方法 是以传统的方式去定义金属线，再进行介质淀积；第二 种方法是先定

20、义介质，然后再将金属铜填人沟槽内，随 后进行化学机械抛光(将在11.4.5中讨论)以去除在介质 表面多余的金属而仅保留孔或沟槽内的铜，这种方法称 为嵌入工艺(damascene process) 嵌入技术：嵌入技术：使用铜一低介电常数介质作互连线的方法是“ 嵌入法”或是“双层嵌入法”(dual damascene)对 一个典型的嵌入式结构，先规定金属线的沟槽并刻蚀层 间介质(interlayer dielectric，ILD)，再填入金属 TaN/Cu。TaN的目的是作为扩散阻挡层以阻止铜穿透 低介电常数的介质。表面上多余的铜将被去除，因此可 获得一平面结构，而金属则镶嵌在介质中。 7.2 7

21、.2 金属化金属化 对于双层嵌入法而言，在淀积金 属铜前，先进行图形曝光工艺， 并刻蚀出通孔及沟槽，如右图 (a)(d)所示。接着，对铜进行 化学机械抛光，使介质表面平坦 且没有多余的金属，只有在绝缘 层通孔内才镶嵌着金属。使用双 层嵌入法的好处是通孔插栓与金 属线是相同的材料，所以可减少 由通孔产生电迁移失效的问题。 7.2 7.2 金属化金属化 如果我们以铜导线取代传统铝导 线，并采用低介电常数的介质 (k=2.6)取代二氧化硅，将可减 低多少百分比的RC时间常数？ （铝的电阻率为2.7cm，而 铜为1.7cm)。 解： 7.2 7.2 金属化金属化 1.72.6 100%42% 2.73

22、.9 金属硅化物金属硅化物 硅可以与金属形成许多稳定的金属性的及半导电 的化合物。有数种具有低的电阻率及高热稳定性 的金属硅化物可应用与ULSI领域中。如TiSi2、 CoSi2等。当器件尺寸变小，金属硅化物在金属 化工艺中变得越来越重要，一个重要应用是 MOSFET的栅极，或是在有掺杂的多晶硅上形成 多晶硅化物。 7.2 7.2 金属化金属化 金属硅化物常用来降低源极、漏极、栅极及金属连 线的接触电阻。自对准硅化物技术自对准硅化物技术已被证明可用来 改善亚微米器件及电路的特性。自对准技术的步骤 是使用金属硅化物的栅区作为掩蔽层来形成 MOSFET的源区和漏区，可降低电极的相互重叠 及寄生电容

23、。 7.2 7.2 金属化金属化 典型的多晶硅化物的形成步 骤如右图所示。在溅射淀积 过程中，需使用高温、高纯 度合成的靶材来确保金属硅 化物的品质。一般最常用来 形成多晶硅化物的是硅化钨 (WSi2)、硅化钽(TaSi2)及硅 化钼(MoSi2)。它们都耐热， 在高温下仍稳定，并对工艺 中常用的化学药品具有抗腐 蚀能力。 7.2 7.2 金属化金属化 自对准的金属硅化物的形成 步骤如右图所示。在工艺中， 多晶硅栅极在金属硅化物形 成前先形成，接着以二氧化 硅或氮化硅形成侧壁间隔物 (sidewall spacer)用以防止 形成金属硅化物时栅极与源/ 漏极问的短路。然后将金属 Ti或Co溅射

24、于整个晶片表面， 接着进行金属硅化物的合成 热处理。 7.2 7.2 金属化金属化 金属硅化物原则上只在 金属与硅接触的区域形 成。最后以湿法腐蚀的 方式将未反应的金属刻 蚀掉，只留下金属硅化 物。这种技术不需要规 定复合层的多晶硅化物 栅极，且在源/漏极都 形成金属硅化物，降低 了接触电阻。 7.2 7.2 金属化金属化 金属硅化物具有低电阻率及良好的热稳定性，因 此在ULSI电路应用中深具潜力硅化钴具有低 电阻率及良好的热稳定性，最近已被广泛地研 究。然而，钴对氧化物(native oxide)与含氧的 环境都相当敏感，有相当大部分的硅会被硅化 工艺中被消耗掉。 7.2 7.2 金属化金属

25、化 金属硅化物作为接触材料金属硅化物作为接触材料 特点：类金属，低电阻率（特点：类金属，低电阻率（4 MV/cm） 低漏电（450 oC ） 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-k integrationLow-k integration 7.4 7.4 互连技术互连技术 low klow k a-C:H a-C:H 7.4 7.4 互连技术互连技术 Low k polymerLow k polymer 7.4 7.4 互连技术互连技术 近年来，CMP的发展对多层金属连线日趋重要，在于它是目前唯一 可全局性平坦化可全局性平坦

26、化（整个晶片表面变为一平坦表面）的技术。优点： 对大小结构均可以得到较好的全面性平坦化、减少缺陷的密度及避 免等离子体损伤。CMP的三种方法如下： 方式晶片面 抛光平台运行方式抛光液加入方式 旋转式CMP 朝下平台旋转相对于旋转晶片滴至抛光垫表面 轨道式CMP 朝下轨道相对于旋转晶片渗透抛光垫表面 线性CMP朝下线性相对于旋转晶片滴至跑垫表面 7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP 1 1）随着特征尺寸的减小，受到光刻分辨率的限制：）随着特征尺寸的减小，受到光刻分辨率的限制： R R ，则，则l l 和和/ /或或NANADOFDOF下降！下降！ 例如：例如：0.25 mm 0.

27、25 mm 技术节点时，技术节点时，DOF DOF 208 nm 208 nm；0.18 0.18 mm mm 技术节点时，技术节点时，DOF DOF 150 nm 150 nm 0.25 mm 0.25 mm 后，必须用后，必须用CMPCMP才能实现表面起伏度才能实现表面起伏度 200 nm200 nm 必要性：必要性：单独只采用机械方式抛光，理论上也可达到平 坦化的需求。但却会造成材料表面的机械损伤 NA kR 1 2 2 sin kDOF 7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP 2 2）可以减少金属在介质边墙处的减薄现象，改善金属互）可以减少金属在介质边墙处的减薄现象，改善

28、金属互 连性能连性能 不平坦时的台不平坦时的台 阶覆盖问题阶覆盖问题 使用使用CMPCMP之之 后后 7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP CMPCMP工艺：工艺：要抛光的表面、抛光垫（将机械力转移到要 抛光的表面）、抛光液（提供化学及机械两种效果）。 7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP 具体来讲是在晶片与抛光垫(pad)之间加入抛光液(slurry)， 并持续移动要平坦化的晶片面摩擦抛光垫抛光液中具有 研磨作用的颗粒会使晶片表面有机械损伤，这有利于在抛 光液中进行化学反应，或使表面疏松破裂并在抛光液中分 解而被带走因为大部分化学反应是等向性的，所以 CMP工

29、艺必须量身订做，使其能对表面的突出点有较快 的抛光速率，以达到平坦化的效果 7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP CMPCMP 三个关键硬件：三个关键硬件： Polishing padPolishing pad Wafer carrierWafer carrier Slurry dispenserSlurry dispenser 7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP 7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP 氧化膜与氧化膜下方(称之为停止层，Stop Layer)的去除 速率分别为v及0.1v，去除1m的氧化膜及0.01m的停 止层要5.5min。试求氧化膜的去除率。 解： 7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP 10.01 5.5 0.1vv 1.1 5.5,0.2m/minv v 接触和互连总结接触和互连总结 金半接触类型金半接触类型 整流接触：整流接触：n-Sin-SiMM 欧姆接触：欧姆接触：p-Sip-SiAl, Al, n n+ +-Si/p-Si/p+ +-Si-SiMM 硅化物接触：硅化物接触：低阻、低阻、 欧姆接触欧姆接触 掺掺Cu/SiCu/Si 阻挡层：阻挡层：TiNTiN， 金属硅化物金属硅化物 AlAl：电迁移、尖楔：电迁移、尖楔 平坦化技术：平坦化技术：