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1、1/47,集成电路工艺原理,仇志军 邯郸校区物理楼435室,2/47,大纲,第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 接触与互连 第十一章 后端工艺与集成 第十二章 未来趋势与挑战,3/47,后端工艺 backend of the line technology (BEOL) 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物理上均被介质隔离。,全局互连 （Al）,局部互连 （多晶硅, 硅化物, TiN）,（IMD）,接触（contact）金属和硅的结合
2、部 通孔（via）用于连接不同层的金属连线 金属间介质（IMD） 钝化层（passivation）,（PMD）,4/47,5/47,后端工艺越来越重要 占了工艺步骤中大部分 影响IC芯片的速度,多层金属互连增加了电路功能并使速度加快,6/47,互连的速度限制可以作简单的估计,由全局互连造成的延迟可以表达为：,其中eox是介质的介电常数，K是边缘场效应的修正系数，r是金属线的电阻率,e,7/47,各种延迟,8/47,对IC金属化系统的主要要求,(1) 金属和半导体形成低阻接触 (2) 低阻互连 (3) 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 (4) 台阶覆盖好 (5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀
3、现象 (6) 易刻蚀 (7) 制备工艺简单,电学、机械、热学、热力学及化学,9/47,可能形成互连的导电材料,金属 （metal）：low resistivity 多晶硅（polySi）：Medium resistivity) 硅化物（metal silicides）：介于以上二者之间,10/47,11/47,定义：零偏压附近电流密度随电压的变化率,比接触电阻 c 的单位: Wcm2 或 m2 接触电阻：,衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻 c,重掺杂硅,金属线,接触面积A,金属Si之间， c在10-510-9 Wcm2 金属金属之间， c10-8 Wcm2,12/47,欧姆接触,整流接触,金
4、半接触,13/47,当金属与半导体之间的载流子输运以隧道穿透为主时，c与半导体的掺杂浓度N及金半接触的势垒高度qb有下面的关系qb 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,14/47,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 的接触势垒较低高掺杂欧姆接触,Al/n-type Si势垒高度 0.7 eV 需高掺杂欧姆接触,Al/p-type Si势垒高度 0.4 eV,1.12 eV,15/47,常用金属-n型硅之间的肖特基势垒高度,Eg(Si)1.12eV,Cu,16/47,
5、在降低接触尺寸时减小接触电阻的一些措施,在金属/半导体界面增加掺杂浓度 -由杂质固溶度限制用具有低肖特基势垒的技术 -在制备CMOS时，最好的选择时Mid-Gap Barrier 增加接触的有效面积 * -接触整个结面积，而不仅仅是接触孔面积用自对准硅化物技术（self-aligned silicide，SALICIDE）：与多晶栅和隔离自对准,17/47,SALICIDE Process,(a) Basic MOSFET structure fabricated,18/47,最常用的材料是Al：采用溅射淀积,Al 金属化系统失效的现象 Al的电迁移（Electromigration） Al/
6、Si接触中的尖楔现象 Cu正全面取代Al,铝互连技术,19/47,（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,Hillock,20/47,21/47,(2) Al/Si接触中的尖楔现象,1）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 C），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。 2）退火温度下，Si在Al膜中的扩散
7、系数非常大在薄膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的40倍。 3) Al和SiO2会发生反应：4Al+3SiO22Al2O3+3Si Al与Si接触时，Al可以“吃掉”Si表面的天然SiO2层(1 nm)，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。,22/47,铝的尖楔SEM照片,23/47,合金化,合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力。在300 oC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
8、接触，形成欧姆接触Al-Si系统一般合金温度为450-500 C,24/47,解决电迁移问题的方法 在Al中加入0.54的Cu可以降低铝原子在晶间的扩散系数。但同时电阻率会增加！,铝中加入少量Si（1%） 利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier）：TiN， TiW，W及难熔金属硅化物；500 C稳定,解决尖楔问题的方法,25/47,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，与硅工艺兼容性好,常用接触和扩散阻挡,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,26/47,通孔W塞 (W
9、-stud),电阻率介于铝和硅化物之间 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 ,Low-k integration,29/47,HDPCVD 淀积（填充）介质薄膜,USG（Un-doped Silicate Glass）：SiH4+O2+Ar USG+挥发物 FSG（Fluorosilicate Glass）：SiH4+SiF4+O2+Ar FSG +挥发物 PSG（Phosphossilicate Glass）：SiH4+PH3+O2 PSG+挥发物,30/47,31/47,Low k pol
10、ymer,32/47,Airgap,33/47,多层布线技术（Multilevel-Multilayer Metallization）,器件制备,34/47,平坦（面）化技术,35/47,化学机械抛光CMP,1）随着特征尺寸的减小，受到光刻分辨率的限制：R，则l和/或NADOF下降！例如： 0.25 mm 技术节点时，DOF 208 nm 0.18 mm 技术节点时，DOF 150 nm,0.25 mm 后，必须用CMP才能实现表面起伏度200 nm,必要性,36/47,2）可以减少金属在介质边墙处的减薄现象，改善金属互连性能,不平坦时的台阶覆盖问题,使用CMP之后,37/47,可免除由于介质
11、层台阶所需的过曝光、过显影、过刻蚀。,CMP的优势,使用CMP后,减少了缺陷密度，产率得到提高，给设计以更大的窗口,不使用CMP时,不使用CMP时,38/47,CMP,三个关键硬件： Polishing pad Wafer carrier Slurry dispenser,39/47,STI（浅沟槽隔离） 形成 介质层的平面化 PMD 和 IMD 钨塞的形成 铜互连 深槽电容,CMP的应用,40/47,其他平面化技术：1、PSG/PBSG回流（reflow） 使台阶平滑，高度未变 850-1000 C,41/47,2、回刻技术（etch-back） 溅射刻蚀（Ar+）使介质开口形成坡度 CVD
12、填充得到较为平坦的表面 反应离子刻蚀CF4/O2实现局部平面化,USG回刻,USG： Undoped Silicate Glass,42/47,光刻胶回刻技术,CF4/O2刻蚀：F氧化硅，OPR 调整CF4/O2 比值可以实现二者1:1 的刻蚀比 回刻后氧化硅可以实现局部平坦化,SOG回刻,43/47,铜互连技术,Copper / Low k Dual Damascene (DD) 大马士革双镶嵌工艺,44/47,45/47,PVD Cu籽晶层 ECP（电镀）,46/47,Culow k结构,47/47,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,掺Cu/Si,阻挡层：TiN， 金属硅化物,PSG回流 回刻 CMP,铜互连-low k,
