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1、集成电路制造技术第九章 金属化与多层互连西安电子科技大学微电子学院戴显英2013年9月第九章 金属化与多层互连金属化：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。接触材料直接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Cu9.1 集成电路对金属化的基本要求1. 形成低阻欧姆接触；2. 提供低阻互
2、连线；3. 抗电迁移；4. 良好的附着性；5. 耐腐蚀；6. 易于淀积和刻蚀；7. 易键合；8. 层与层之间绝缘要好。9.2 金属化材料及应用n常用金属材料： Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等n常用的金属性材料：1）掺杂的poly-Si；2）金属硅化物-PtSi、CoSi2、WSi2、TiSi2；3）金属合金-AlSi、AuCu、CuPt、TiB2 、 SiGe 、 ZrB2 、TiC、MoC、TiN。1、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2、硅化物电阻率比多晶硅更低，常用TiSi2, WSi2和 CoSi
3、29.2 金属化材料及应用自对准形成硅化钛9.2 金属化材料及应用2、硅化物3、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中期以前用作栅电极金属9.2 金属化材料及应用4、钛Ti：硅化钛、氮化钛1）阻挡层：防止W扩散2）粘合层：帮助W与SiO2表面粘合在一起3）防反射涂层ARC（Anti-reflection coating），防止反射提高光刻分辨率Ti/TiN的作用：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 PVD Al合金: 台阶覆盖性差，产生空洞 CVD W
4、: 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 金属化材料及应用接触工艺的演变9.2 金属化材料及应用W钨 CVDnW原料：WF6n先与SiH4反应形成W淀积的核层: 2WF6(g) +3SiH42W(s)+3SiF4(g)+6H2n再与H2反应淀积W: WF6(g) +3H2W(s)+6HF(g)n需要TiN/Ti层与氧化物黏附W Plug and TiN/Ti Barrier/Adhesion Layer6、铜 Low resistivity (1.7 mWcm),
5、lower power consumption and higher IC speed High electromigration resistance better reliability Poor adhesion with silicon dioxide Highly diffusive, heavy metal contamination Very hard to dry etch copper-halogen have very low volatility9.2 金属化材料及应用9.3 Al的性质及现象电阻率：Al为2.7/cm，（Au2.2 /cm，Ag1.6 /cm， Cu 1
6、.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。9.2.1 Al的性质9.2.2 Al/Si接触的物理现象Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低； 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+2Al2O3n好处：降低Al/Si欧姆接触电阻； 改善Al与SiO2的粘附性。9.3 Al的性质及现象9.2.3 Al/Si接触的
7、尖楔现象n图9.3 Al-Si接触引线工艺T=500，t=30min.，A=16m2，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9.3 Al的性质及现象n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；n深度：超过1m；n特点：衬底：横向扩展 衬底：纵向扩展nMOS器件突出。n改善：Al中加1wt-4wt的过量Si9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象9.3 Al的性质及现象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
8、：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500的金属过渡层， 如Ti、Hf、Cr、Ta。d.新的互连线：Cu9.3 Al的性质及现象9.4 Cu及低K介质n9.4.1 问题的引出： 互连线延迟随器件 尺寸的缩小而增加； 亚微米尺寸，互连延 迟大于栅（门）延迟9.4 Cu及低K介质n9.4.2 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
9、介电常数 低的互连线：Cu，=1.72cm； （Al，=2.82cm） 低K （）的介质材料： 3.59.4.3 Cu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9.4.4 Cu互连工艺流程9.4.5 Cu的淀积n主要问题：缺乏刻蚀Cu的合适的传统工艺。n解决：大马士革镶嵌工艺流程： 在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽； CVD淀积
10、一层薄的金属势垒层：防止Cu的扩散； 溅射淀积Cu的籽晶层：电镀或化学镀Cu需要； 沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀； 400下退火； Cu的CMP。铜金属化（Copper Metallization）多层Cu互连9.5 多晶硅及硅化物n多晶硅：CMOS多晶硅栅、局域互连线；9.5.1 多晶硅栅技术n特点：源、漏自对准nCMOS工艺流程（图9.12）n多晶硅栅取代Al栅： p沟道MOS器件的VT降低1.2-1.4V （通过降低MS）；nVT降低提高了器件性能： 工作频率提高；功耗降低；集成度提高；n多晶硅栅的优点：实现自对准的源漏；降低VTn互连延迟时间常数: RC=RL2 ox/tox R、
11、 l- -互连线方块电阻和长度， ox、tox-介质层的介电常数和厚度；n局限性：电阻率过高，只能作局部互连；9.5.2 多晶硅互连及其局限性9.5 多晶硅及硅化物9.6 VLSI与多层互连n多层互连的提出： 互连线面积占主要； 时延常数RC占主要。互连引线面积与各种互连延迟9.6.1 多层互连对VLSI的意义1.提高集成度；2.降低互连延迟：3. 降低成本（目前Cu互连最高已达10多层）9.6 VLSI与多层互连平坦化的必要性9.6.2 平坦化9.6 VLSI与多层互连n台阶的存在：如， 引线孔、通孔边缘；n影响：薄膜的覆盖效果；n改善：改进薄膜淀积的工艺：行星旋转式真空蒸发装置； 溅射替代
12、蒸发；PSG、BPSG回流；平坦化工艺9.6.2 平坦化9.6 VLSI与多层互连BPSG回流工艺牺牲层工艺：等离子刻蚀工艺，局域完全平坦化9.6.2 平坦化9.6.3 CMP工艺CMP：chemical mechanical planarization化学机械平面化 或 chemical-mechanical polishing 化学机械抛光9.6 VLSI与多层互连nCMP的基本构成： 磨盘：聚亚胺酯薄片 磨料： a.反应剂：氧化剂； b.摩擦剂：SiO2 nCMP的基本机理： 金属被氧化，形成氧化物； SiO2磨掉氧化物。9.6.3 CMP工艺9.6 VLSI与多层互连9.6.4 CMO
13、S IC的多层互连1）PECVD Nitride9.6.4 CMOS IC的多层互连2）PECVD USG3）PECVD Etch Stop Nitride4）PECVD USG5）Photoresist Coating9.6.4 CMOS IC的多层互连Via 1 Mask6）Via 1 Mask Exposure and Development7）Etch USG, Stop on Nitride9.6.4 CMOS IC的多层互连8）Strip Photoresist9）Photoresist CoatingMetal 1 Mask10）Metal 1 Mask Exposure and Development9.6.4 CMOS IC的多层互连11）Etch USG and Nitride12）Strip Photoresist13）Deposit Tantalum Barrier Layer14）Deposit Copper9.6.4 CMOS IC的多层互连15）CMP Copper and Tantalum16）PECVD Seal Nitride
