金属化和多层互连

金属化与多层互连金属化及其要求Al在IC中的应用Cu及低K介质的应用多晶硅及金属硅化物多层布线技术金属化及其要求金属化:金属及其他导电材料在IC中的应用。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1,Al•CuBPSGWP型磊晶層TiSi2TiN,ARCTi/TiN金属化对材料的要求(1)好的界面特性（粘附性、界面态等）(2)热、化学稳定性(3)电导率高(4)抗电迁移性强(5)接触电阻小(6)易加工（沉积、刻蚀、键合）(7)多层间绝缘性好（扩散阻挡层）HighspeedHighreliabilityHighdensity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

特征电阻Rc

衡量欧姆接触质量的参数是特征电阻Rc

定义：零偏压下的电流密度对电压偏微商的倒数比接触电阻的单位:欧姆.cm2接触电阻R=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

高复合欧姆接触高掺杂欧姆接触金属化材料AlCu高熔点金属（W、Mo、Ta、Ti等）多晶硅金属硅化物（WSi2、MoSi2、TiSi2等）此外，还要考虑介质材料，阻挡层，垫层等。Al在IC中的应用Al在IC中的应用最常用的连线金属第四佳的导电金属Ag 1.6mWcmCu 1.7mWcmAu 2.2mWcmAl 2.65mWcmAl与SiO2反应：

4Al+3SiO22Al2O3+3Si

反应可以改善Al/Si欧姆接触电阻；增强Al引线与SiO2的黏附性。铝的基本资料Al金属化存在的问题：（1）大电流密度下，有显著的电迁移现象（2）高温下，Al和Si、SiO2会发生反应，产生“尖锲”现象。（1）电迁移Al为多晶材料，包含很多单晶态晶粒。大电流密度下，Al原子沿电流方向的定向迁移，多沿晶粒边界。电迁移造成短路或断路，造成器件失效，影响IC可信度。（1）电迁移平均失效时间MTF：50%互连线失效的时间

式中A金属条横截面积(cm2)J电流密度(A/cm2)

金属离子激活能(ev)k玻尔兹曼常数

T绝对温度

C与金属条形状、结构有关的常数电迁移改善方法：（1）竹状结构：晶粒边界垂直于电流方向。（2）Al-Cu，Al-Si-Cu合金：少量Cu的加入可以显著改善抗电迁移性能

(3)三明治结构:两层铝膜之间夹一层过度金属层,400度退火1小时,在铝膜之间形成金属化合物。(2)Al的“尖锲”现象硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，形成腐蚀坑，Al相应进入Si中，形成“尖锲”。p+p+N型矽鋁鋁鋁SiO2实际上，硅在接触孔内并不是均匀消耗的，往往只是通过几个点消耗Si，因此这些地方的深度很大，Al在这里象尖钉一样锲入Si中，使pn结实效，实际深度往往可以超过1um。Al/Si接触的改善合金化：采用含少量Si的Al-Si合金（一般为1%）,由于合金中已存在足量的Si，可以抑制底层Si的扩散，防止“尖锲”现象。

在300oC以上，硅就以一定比例熔于铝中，在此温度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成一层很薄的Al-Si合金。Al通过Al-Si合金和接触孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触

Al-Si系统一般合金温度为450－500oCAl/Si接触的改善Al-阻挡层结构：在Al与Si之间沉积一层薄阻挡层，限制Al“尖锲”现象。希望阻挡层与Si有好的黏附性和低的欧姆接触电阻，可以采用硅化物，如PtSi、Pd2Si或CoSi2，也可采用Ti、TiN、TaN和WN等。铜及低K介质金属化及多层布线的发展：电路特征尺寸不断缩小芯片引线数急剧增加芯片内部连线长度迅速上升金属布线层数不断增加互连引线的延迟时间增加铜及低K介质Intel奔腾IIIMerced（1999）6层金属互连，0.18µm工艺，集成晶体管数2500万个，连线总长度达5km估计0.07µm工艺，一个微处理器需10层金属互连，连线总长度达10km铜及低K介质RC常数：互连引线的延迟时间以RC常数来表征。其中，l为引线长度，w为引线宽度，tm为引线厚度，tox为介质层厚度。从中可以看出，采用低电阻率的互连材料和低介电常数的介质材料可以有效降低互连系统的延迟时间。铜及低K介质铜及低K介质的优势：铜的电阻率低，可以极大降低互连引线电阻；Cu 1.7mWcmAl

2.65mWcm铜的抗电迁移能力强，没有应力迁移，可靠性强；低K介质，减少了分布电容；

所以，采用铜及低K介质可以进一步减小引线宽度和厚度，提高集成电路的密度。铜及低K介质Cu互连工艺中的关键技术：Cu的沉积技术低K介质材料的选择和沉积势垒层材料的选择和沉积技术Cu的CMP平整化技术大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺可靠性问题深亚微米技术的发展：90nm、45nm线宽300mm（12寸）晶圆铜及低K介质系统集成（SOC）其中涉及到大量相关工艺和技术的应用，应变硅，绝缘硅，仅有5个原子层厚、1.2nm氧化物栅极，“睡眠晶体管”技术等等。铜及低K介质大马士革（镶嵌式）工艺：不同与Al互连，Cu互连工艺中缺乏合适的Cu刻蚀工艺，因此采用大马士革（镶嵌式）方法。工艺步骤：（1）沉积刻蚀阻挡层（2）沉积介质层（3）光刻制备引线沟槽

(4)光刻制备接触孔（5）溅射势垒层和籽晶层（6）沉积Cu金属层（7）CMP金属层P型磊晶層P型晶圓N型井區P型井區n+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta或TaNTi/TiNSiNCuCuFSG铜及低K介质低K介质材料要求：介电常数K小于3.5（SiO2为3.9）好的材料特性、热性能、介电性能和力学性能与其他互连材料，如Cu及势垒材料兼容与IC工艺兼容工艺成本低能在特定条件下工作，稳定可靠铜及低K介质低K介质材料分类：K=2.8-3.5掺Ｆ的氧化物、低Ｋ的ＳＯＧ旋涂玻璃Ｋ=２.５－2.8ＰＡＥ、含Ｆ的聚酰亚胺、ＢＣＢ、有机硅氧烷聚合物等有机材料Ｋ<２.０多孔型材料，可达到极低Ｋ值（１.１），需要能经受ＣＭＰ、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/TiNSiNCuCuFSG铜及低K介质低K介质材料的沉积与刻蚀：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铜及低K介质势垒层材料:包括介质势垒层和导电势垒层介质势垒层材料：ＳiＮ、ＳiＣ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。导电势垒层：ＷＮ、ＴiＮ、Ｔa、ＴaＮ等主要功能：防止Ｃu扩散、改善Ｃu的附着性、作为ＣＭＰ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+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta或TaNTi/TiNSiNCuCuFSG铜及低K介质势垒层材料要求：介质势垒层：要求介电常数低，SiN

（7.8），SiC（4-6）。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工艺兼容多晶硅及金属硅化物多晶硅及金属硅化物

多晶硅：栅极与局部互连材料1970年代中期取代Ａl而成为栅极材料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重掺杂LPCVD沉积多晶硅栅极ＳiＯ２n-n-n+n+TiＴi沉积多晶硅栅极ＳiＯ２n-n-n+n+TiSi2TiSi2Ti退火产生金属硅化物多晶硅栅极ＳiＯ２n-n-n+n+TiSi2TiSi2湿法腐蚀Ｔi薄膜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。多晶硅栅取代Ａl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。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。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。多晶硅及金属硅化物

多晶硅可作为互连引线；电阻率：多晶硅>难熔金属硅化物>难熔金属>Al>Cu当电路的特征尺寸小于2m时，掺杂多晶硅就不适用作互连材料。必须采用比多晶硅低得多的电阻率，而同时又能保持多晶硅原有的工艺兼容性的材料。金属硅化物金属硅化物的电阻率比多晶硅低得多（约十分之一）高温稳定性好抗电迁移能力强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TiSi2,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。多晶硅及金属硅化物

制备方法：共蒸发、共溅射、合金靶溅射，CVD等。TiSi2

和CoSi2的自对准工艺：溅射剥离从衬底表面去除原生氧化层Ti或Co沉积退火形成金属硅化物Ti或Co不与SiO2反应,金属硅化物在硅和Ti或Co接触处形成去除Ti或Co选择性再次退火以增强电导率多晶硅/硅化物复合栅结构多晶硅栅极ＳiＯ２n-n-n+n+TiSi2TiSi2多层布线技术多层布线技术为何要采用多层布线技术？集成度提高器件数目增加互连线增加互连面积增加多层互连技术可以成倍增加互连线面积此外，多层互连技术还有以下优点：增加连线间隔，降低连线电容降低连线干扰，提高工作频率集成度提高，系统工作速度加快，单个芯片成本降低Intel奔腾IIIMerced（1999）6层金属互连，0.18µm工艺，集成晶体管数2500万个，连线总长度达5km估计0.07µm工艺，一个微处理器需10层金属互连，连线总长度达10km多层布线技术互连体系中的材料：金属层绝缘介质层势垒层

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-銅多层布线技术绝缘介质层的要求：低介电常数高击穿场强低漏电流密度低表面电导不吸潮温度承受能力在500度以上没有金属离子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、低缺陷、易刻蚀等等。多层布线工艺流程多层布线技术平坦化：在IC制造过程中，经过多步加工工艺后，硅片表面变得很不平整，存在台阶。台阶的存在会影响薄膜沉积时的覆盖效果，可能引起电路失效。对金属层和介质层都要进行平坦化处理，以减小或消除台阶的影响，改善台阶覆盖的效果。随着互连层数的增加和工艺特征尺寸的缩小，平整度要求越来越高。多层布线技术不同程度平坦化第一类平坦化：尖角圆滑，台阶高度不变第二类平坦化：尖角圆滑，台阶高度减小