接触与离子互连(可编辑)

1、金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。金属化材料分类：（按功能划分）MOSFET栅电极材料-MOSFET器件的组成部分；互连材料将各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模块。接触材料之间与半导体材料接触的材料，以及提供与外部相连的接触点。互连材料InterconnectionInterconnection互连在金属化工艺中占有主要地位AL-Cu合金最为常用W塞（80s和90s）Ti：焊接层TiN：阻挡、黏附层未来互连金属- - CuCOMSCOMS标注金属化互连：AlCu合金接触孔与通孔：金属W（Ti/TiN/W）Ti/TiN：焊接层、阻挡层、防反射层电极材料：金属硅化物，如TiSi2集成

2、电路对金属化的基本要求形成低阻欧姆接触；提供低阻互连线；抗电迁移；良好的附着性；耐腐蚀；易于淀积和刻蚀；易键合；层与层之间绝缘要好。9.2 9.2 金属化材料及应用常用金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等常用的金属性材料：掺杂的poly-Si；金属硅化物-PtSi、CoSi2、WSi2、TiSi2；金属合金-AlSi、AuCu、CuPt、TiB2、SiGe、ZrB2、TiC、MoC、TiN。9.2 9.2 金属化材料及应用多晶硅-栅和局部互连；-70s中期后代替Al作为栅极，-高温稳定性；满足注入后退火的要求，Al不能自对准-重掺杂，LPCVD淀积-硅化物-电阻率比多晶硅更低，-常用T

3、iSi2，WSi2和CoSi29.2 9.2 金属化材料及应用2、硅化物自对准形成硅化钛自对准形成硅化钛9.2 9.2 金属化材料及应用铝（Al）最常用的金属导电性第四好的金属- 铝 2.65 -cm- 金 2.2 -cm- 银 1.6 -cm- 铜 1.7 -cm1970s中期以前用作栅极电极金属9.2 9.2 金属化材料及应用钛Ti：硅化钛、氮化钛 Ti/TiN的作用：阻挡层：防止W扩散粘合层：帮助W与SiO2表面粘合在一起防反射涂层ARC（Anti-reflection coating），防止反射提高光刻分辨率9.2 9.2 金属化材料及应用5、钨W接触孔和通孔中的金属塞接触孔变得越来越

4、小和越窄PVD Al合金：台阶覆盖性差，产生空洞CVD W ：出色的台阶覆盖性和空隙填充能力CVD W：更高电阻率：8.0-12 mW-cm PVD Al合金（2.9-3.3 mW-cm）W只用作局部互连和金属塞9.2 9.2 金属化材料及应用6、铜Low resistivity(1.7 cm) lower power consumption and higher IC speedHigh electromigration resistance better reliabilityPoor adhesion with silicon dioxideHighly diffusive，heavy

5、metal contaminationVery hard to dry etch copper-halogen have very low volatility9.2.1 Al9.2.1 Al的性质电阻率：Al为2.7 /cm，（Au2.2 /cm，Ag1.6 /cm，Cu1.7 /cm） Al合金为3.5 /cm；溶解度：Al在Si中很低，Si在Al中 相对较高，如400时， 0.25wt%；450时， 0.5wt%；500时，0.8wt%；Al-Si 合金退火：相当可观的Si溶解到Al中。9.2.2 Al/Si9.2.2 Al/Si接触的物理现象Al/Si互溶:Al在Si中的溶解度非常低；

6、 Si在Al中的溶解度相对较高。Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中大40倍。Al与SiO2反应：3SiO2+4Al3Si+2Al2O3好处：降低Al/Si欧姆接触电阻； 改善Al与SiO2的粘附性 最常用的材料使Al：采用溅射淀积铝互连技术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Al9.2.4 9.2.4 电迁移现象及改进电迁移：大电流密度下，导电电子与铝金属离子发生动量交换，使金属离子沿电子流方向迁移。现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。改进电迁移的方法a

7、.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。b.AlCu/AlSiCu合金：Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界的扩散系 数。c.三层夹心结构：两层Al之间加一层约500的金属过渡层，如Ti、Hf、Cr、Ta。d.新的互连线：Cu当器件工作室，金属互连线内有一定电流通过，金属离子会沿导体产生质量的输运，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须（小丘），这就是电迁移现象。为了避免电迁移效应，可以增加连线的宽度，以保证通过连线的电流密度小于一个确定的值。（1 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于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

8、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集聚而形成空洞，导致电路开路。9.2.3 Al/Si9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象图9.3 AlSi接触引线工艺 T=500，t=30min，A=16m， W=5m，d=1m，消耗Si层厚度 z=0.35m。（相当于VLSI的结深） Si非均匀消耗， 实际上，A*Z， 故Al形成尖楔（2 2）Al/SiAl/Si接触中的尖楔现象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），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。退火温度下，Si在Al膜中的扩散系数

9、非常大在薄膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的40倍。Al和SiO2会发生反应：4Al+3SiO22Al2O3+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。9.2.3 Al/Si9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象尖楔机理：Si在Al中的溶解度及快速扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬底；深度：超过1m；特点：衬底；横向扩散 衬底；纵向扩展MOS器件突出改善：Al中加1wt%4wt%的过量Si解决电迁移问题的方法解决电迁移问题的方法在在Al中加入中加入0.54%的的Cu可以降低铝可以

10、降低铝原子在晶间的扩散系数。原子在晶间的扩散系数。但同时电阻但同时电阻率会增加率会增加！解决尖楔问题的方法解决尖楔问题的方法 铝中加入少量铝中加入少量Si（1%） 利用扩散阻挡层利用扩散阻挡层（Diffusion Barrier）:TiN,TiW,W及及难熔金属硅化物；难熔金属硅化物；500稳定稳定9.4.2 9.4.2 如何降低：RC常数：表征互连线延迟，即 互连线电阻率，l互连线长度，介质层介电常数低的互连线：Cu，=1.72 cm；（Al，=2.82 cm）低K（）的介质材料：4MV/cm）低漏电（450）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

11、性等等Low-k integration7.57.5化学机械抛光CMPCMPCMP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）。7.57.5化学机械抛光CMPCMP近年来，CMP的发展对多层连线日趋重要，在于它是目前唯一可全局性平坦化（整个晶片表面变为一个平坦的便面）的技术。优点：对大小结构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：化学机械抛光CMPCMP必要性1）随着特征尺寸的减小，受到光刻分辨率的限制：R，则和/或NA DOF下降！例如：0.25m技术节点，DOF208nm0.18m技术节点，DOF15

12、0nm0.25m后，必须用CMP才能实现表面起伏度200nm2)可以减少金属在介质边墙处的减薄现象，改善金属互联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CMP之后之后CMP三个关键硬件：三个关键硬件：Polishing padWafer carrierSlurry dispenser接触和互连总结 金半接触类型：整流接触：n-SiM欧姆接触：p-SiAl，n+-Si/p+-SiM硅化物接触：低阻、欧姆接触Al：电迁移、尖楔掺Cu/Si阻挡层：TiN，金属硅化物平坦化技术：CMP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

13、兼容性好。常用接触和扩散阻挡Al/PtSi/Si Al/TiSi2/SiAl/NiSi/SiAl/CoSi2/SIAl/Ti/PtSi/SiAl/Ti3OW70/PtSi/SiAl/TiN/TiSi2/Si 淀积 溅射 LPCVD/PECVD 退火 形成合适金属化合物 形成稳定接触界面 降低电阻率 4.7.24.7.2难熔金属硅化物栅及其复合结构 为了提高速度和集成度，可按比例缩小器件的特征尺寸，当特征线宽小于1.5m时，多晶硅栅遇到问题： 作为栅和局域互连材料的多晶硅的电阻率较高（大于500.cm），其寄生电阻限制了集成电路速度。 作为替代多晶硅的材料，要求具有电阻率低、高温稳定性好，与集成

14、电路工艺兼容等特点。 Al电阻率低，但熔点太低（660）。 W、Mo熔点高，但它们与硅栅刻蚀后的工艺不兼容。 实验发现难熔金属硅化物如TISI2、CoSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2等是替代多晶硅的理想材料。l几个概念l栅结构材料场区：硅片上不制作器件的区域（除栅区和有源区之外）栅区：栅极下方形成导电沟道的区域有源区：直接从外部接收和向外部送出电信号的区域（指MOS管的源区和漏区）Al-二样化硅结构多晶硅-二氧化硅结构难熔金属硅化物/多晶硅-二氧化物结构自 对 准 金 属 硅 化 物（Salicide）工艺沉淀多晶硅、刻蚀并形成侧壁氧化层；沉淀Ti或Co等难熔金属快速热处理（RTP）并选择腐蚀侧壁氧化层上的金属；最后形成Salicide结构SOI：绝缘衬底上的硅：绝缘衬底上的硅4.84.8隔离技术PN结隔离场区隔离绝缘介质隔离沟槽隔离1）标准场氧化隔离场氧化厚度是栅极氧化层的710倍。缺点：场氧化层厚；台阶覆盖不好。 2）局域氧化隔离（LOCOS）工艺 优点： 台阶覆盖好； 自对准沟阻注入，可节省隔