金属化和多层互连

1、金属化与多层互连n金属化:金属及其他导电材料在IC中的应用。n金属材料的三大应用： （1）栅极材料作为器件组成部分 （2）接触材料与半导体材料接触，半 导体与外界的连接桥梁 （3）互连材料连接各器件，形成电路P型晶圓N型井區P型井區STIn+n+USGp+p+金屬金屬1, AlCuBPSGWP型磊晶層TiSi2TiN, ARCTi/TiNHigh speedHigh reliabilityHigh density欧姆接触欧姆接触 金属化层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触，也可以形成欧姆接触，主要取决于金属和半导体功函数的相对大小 RcJVv01比接触电阻的单位 : 欧姆.cm2接触电阻 R=

2、Rc/S 当金属与半导体之间的载流子输运以隧道穿透为主时，Rc与半导体的掺杂浓度N及金半接触的势垒高度qVb 有下面的关系 qVb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RcqVNbexpnAlnCun高熔点金属（W、Mo、Ta、Ti等）n多晶硅n金属硅化物（WSi2、 MoSi2、TiSi2等）此外，还要考虑介质材料，阻挡层，垫层等。n最常用的连线金属n第四佳的导电金属 Ag1.6 mWcm Cu1.7 mWcm Au 2.2 mWcm Al2.65 mWcmnAl与SiO2反应：名稱 鋁 符號

3、Al 原子序 13 原子量 26.981538 發現者 漢克 克里斯汀 奧斯特德 發現地點 丹麥 發現日期 1825 名稱來源 源自拉丁字 alumen，指明礬 固體密度 2.70 g/cm3 摩爾體積 10.00 cm3 音速 5100 m/sec 硬度 2.75 電阻係數 2.65 mWcm 反射率 71% 熔點 660 C 沸點 2519 C 熱傳導係數 235 W m-1 K-1 線性熱膨脹係數 23.110-6 K-1 蝕刻物 (濕) H3PO4, HNO4, CH3COOH 蝕刻物 (乾) Cl2, BCl3 CVD 源材料 Al(CH3)2H （1）电迁移（1）电迁移KTCJAM

4、TFexp2n电迁移改善方法p+p+N型矽鋁鋁鋁SiO2oxmoxmttltwlwtlCRRC2)()(Cu1.7 mWcmAl 2.65 mWcmP型磊晶層P型晶圓N型井區P型井區n+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta 或 TaNTi/TiNSiNCuCuFSG低K介质材料分类：nK=2.8-3.5掺的氧化物、低的旋涂玻璃n=.2.8、含的聚酰亚胺、有机硅氧烷聚合物等有机材料n.多孔型材料，可达到极低值（.），需要能经受、刻蚀、热处理等工艺。P型磊晶層P型晶圓N型井區P型井區n+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta 或 TaNTi/TiN

5、SiNCuCuFSG低K介质材料的沉积与刻蚀：n沉积工艺：（1）旋涂工艺：工艺简单，缺陷密度较低，产率高，易于平整化，不使用危险气体（2）CVD工艺：与IC工艺兼容性好 n刻蚀要求：（1）工艺兼容性好（2）对刻蚀停止层材料选择性高（3）能形成垂直图形（4）对Cu无刻蚀和腐蚀（5）刻蚀的残留物易于清除势垒层材料:n包括介质势垒层和导电势垒层n介质势垒层材料：i、i等新材料 主要功能:和介质层形成多层结构，防止介质在工艺过程或环境中吸潮而影响性能。n导电势垒层：、i、a、a等 主要功能：防止u扩散、改善u的附着性、作为和刻蚀停止层、作为保护层。P型磊晶層P型晶圓N型井區P型井區n+STIp+p+U

6、SGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta 或 TaNTi/TiNSiNCuCuFSG势垒层材料要求：n介质势垒层：要求介电常数低，SiN （7.8），SiC（4-6）。n金属势垒层：（1）好的台阶覆盖（2）好的势垒特性（3）低的通孔电阻（4）与Cu有好的黏附性（5）与Cu的CMP工艺兼容多晶硅：n栅极与局部互连材料n1970年代中期取代l而成为栅极材料n具高温稳定性 离子注入后的高温退火所必须的 源漏自对准特性n重掺杂nLPCVD沉积多晶硅栅极多晶硅栅极in-n-n+n+Tii沉积多晶硅栅极多晶硅栅极in-n-n+n+TiSi2TiSi2Ti退火产生金属硅化物多晶硅栅极多晶硅栅极in-n

7、-n+n+TiSi2TiSi2湿法腐蚀i薄膜n自对准栅技术加离子注入可以大幅减小掺杂横向效应引起的覆盖电容，提高工作频率。n多晶硅栅取代l栅，由于栅与衬底Si的功函数差减少，可以使PMOS的开启电压VT绝对值下降1.2-1.4V左右。n开启电压VTX降低后，器件充放电幅度降低，时间缩短，从而也可提高工作频率。n开启电压VTX降低，整个电源电压和时钟脉冲电压都可以降低，因而降低了IC功耗，提高集成度。金属硅化物n金属硅化物的电阻率比多晶硅低得多（约十分之一）n高温稳定性好n抗电迁移能力强n可在多晶硅上直接沉积难熔金属制备，与现有硅栅工艺兼容nTiSi2, WSi2, MoSi2和 CoSi2等适合作栅和互连材料；PtSi和PdSi2则主要用于作欧姆接触材料。多晶硅栅极多晶硅栅极in-n-n+n+TiSi2TiSi2互连体系中的材料：n金属层n绝缘介质层n势垒层 第一层金属与栅/局域互连层之间的绝缘介质层称为PMD（前金属化介质）。 金属层之间的绝缘介质层称为IMD（金属间介质） PMD上光刻孔称接触孔，IMD上光刻孔称通孔。鈦PSGTiSi2n+鎢鋁-銅绝缘介质层的要求：n低介电常数n高击穿场强n低漏电流密度n低表面电导n不吸潮n温度承受能力在500度以上n没有金属离子n无挥发性残余物存在 此外，还要求有好的黏附性、台阶覆盖性、