接触与离子互连(可编辑)课件

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—Interconnection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--CuCOMS标注金属化互连：Al—Cu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TiSi29.2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TiSi2，WSi2和CoSi29.2金属化材料及应用2、硅化物自对准形成硅化钛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2.65μΩ-cm-金2.2μΩ-cm-银1.6μΩ-cm-铜1.7μΩ-cm1970s中期以前用作栅极电极金属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小和越窄PVDAl合金：台阶覆盖性差，产生空洞CVDW：出色的台阶覆盖性和空隙填充能力CVDW：更高电阻率：8.0-12mW-cmPVDAl合金（2.9-3.3mW-cm）W只用作局部互连和金属塞9.2.1Al的性质电阻率：Al为2.7μΩ/cm，（Au2.2μΩ/cm，Ag1.6μΩ/cm，Cu1.7μΩ/cm）Al合金为3.5μΩ/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。

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.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。b.Al—Cu/Al—Si—Cu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500Å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）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。9.2.3Al/Si接触的尖楔现象图9.3Al—Si接触引线工艺T=500℃，t=30min，A=16μm，W=5μm，d=1μm，消耗Si层厚度z=0.35μm。（相当于VLSI的结深）∵Si非均匀消耗，∴实际上，A*<<A，即Z*>>Z，故Al形成尖楔9.2.3Al/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1μm；特点：<111>衬底；横向扩散<100>衬底；纵向扩展MOS器件突出改善：Al中加1wt%—4wt%的过量Si9.4.2如何降低：RC常数：表征互连线延迟，即

ρ—互连线电阻率，l—互连线长度，ε—介质层介电常数低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm；（Al，ρ=2.82μΩcm）低K（ε）的介质材料：ε<3.59.4.3Cu互连工艺的关键Cu的淀积：不能采用传统的Al互连布线工艺。（没有适合Cu的传统刻蚀工艺）低K介质材料的选取与淀积：与Cu的兼容性，工艺兼容性，高纯度的淀积，可靠性。势垒层材料的选取和淀积：防止Cu扩散；CMP和刻蚀的停止层。Cu的CMP平整化。大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺。低K介质和Cu互连的可靠性。大码士革（DualDamascene）（镶嵌）工艺Cu的布线采用被称为大马士革（镶嵌）工艺，在层间的介质层被平坦化后，在介质层上刻蚀出金属连线的沟槽，先用溅射方法淀积一层薄的金属势垒（阻挡）层，防止Cu的扩散和保证具有良好的黏附性；接着再用溅射方法淀积Cu的仔晶层，作为导电极板与电镀液接触，以激发电镀的开始，满足利用电镀或化学镀方法淀积Cu的需要；然后利用CVD或电化学方法（如电镀或化学镀）对沟槽和通孔同时进行金属Cu的填充淀积，Cu的淀积厚度要大于沟槽的深度，使沟槽完全被填满，随后在400℃左右进行退火，最后进行Cu的CMP和清洁工艺。Tradionalvs.DamasceneMetallization7.4互连技术多层布线技术（Multilevel-MultilayerMetallization）器件制备介质淀积平坦化接触及通孔的形成钝化层淀积结束金属化是否最后一层否是7.5化学机械抛光CMPCMP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化学机械抛光CMP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CMP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λ↑和/或NA↑DOF下降！！！！例如：0.25μm技术节点，DOF≈208nm0.18μm技术节点，DOF≈150nm≤0.25μm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阶覆盖问题使用CMP之后CMP三个关键硬件：PolishingpadWafercarrierSlurrydispenser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（<0.01ρ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Al/PtSi/SiAl/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

4.7.2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1.5μm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500μΩ.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。几个概念栅结构材料场区：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4.8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7～10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，可节省隔离区面