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第十章-金属化与平坦化课件

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第十章第十章 金属化与平坦化金属化与平坦化1概概 述述金属化金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上淀积金属薄膜,通过光刻形成互连金属线和淀积金属薄膜,通过光刻形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程集成电路的孔填充塞的过程金属线被夹在金属线被夹在两个绝缘介质层中间形成电整体两个绝缘介质层中间形成电整体随着电子工业的迅速发展,工艺技术快速进随着电子工业的迅速发展,工艺技术快速进步,已达到极大规模集成电路(步,已达到极大规模集成电路(ULSI)阶段而金属化(而金属化(Metallization)成为一个极为重成为一个极为重要的关键步骤要的关键步骤2互连金属互连金属34在微电子工业硅晶集成电路中金属薄膜主要用于在微电子工业硅晶集成电路中金属薄膜主要用于1.欧姆接触(欧姆接触(OhmicContact)2.肖特基接触(肖特基接触(SchottkyBarrierContact)3.低阻栅电极(低阻栅电极(GateElectrode)4.器件间互联(器件间互联(interconnect)5对对ICIC金属化系统的主要要求金属化系统的主要要求 (1)(1)低阻互连低阻互连(2)(2)金属和半导体形成低阻接触金属和半导体形成低阻接触(3)(3)与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好(4)(4)对台阶的覆盖好对台阶的覆盖好(5)(5)结构稳定,不发生电迁移及腐蚀现象结构稳定,不发生电迁移及腐蚀现象(6)(6)易刻蚀易刻蚀(7)(7)制备工艺简单制备工艺简单6金属化的金属化的几个术语几个术语接触(接触(contactcontact):指硅芯片内的器件与第一层金属层指硅芯片内的器件与第一层金属层之间在硅表面的连接之间在硅表面的连接互连(互连(interconnectinterconnect):由导电材料,由导电材料,(如铝,多晶硅如铝,多晶硅或铜或铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分通孔(通孔(viavia):):通过各种介质层从某一金属层到相邻的通过各种介质层从某一金属层到相邻的另一金属层形成电通路的开口另一金属层形成电通路的开口“填充薄膜填充薄膜”是指用金属薄膜填充通孔,以便在两金是指用金属薄膜填充通孔,以便在两金属层之间形成电连接。

属层之间形成电连接层间介质(层间介质(ILDILD)是绝缘材料,它分离了金属之间的电是绝缘材料,它分离了金属之间的电连接ILDILD一旦被淀积,便被光刻成图形、刻蚀以便为一旦被淀积,便被光刻成图形、刻蚀以便为各金属层之间形成通路用金属(通常是钨各金属层之间形成通路用金属(通常是钨 W W)填充)填充通孔,形成通孔填充薄膜通孔,形成通孔填充薄膜7接触接触Early structures were simple Al/Si contacts.早期结构是简单的早期结构是简单的AL/AL/SiSi接触接触8金属层和硅衬底形成什么接触?金属层和硅衬底形成什么接触?9 金属层和硅衬底的接触,既可以形成金属层和硅衬底的接触,既可以形成整流接触,整流接触,也可以形成也可以形成欧姆接触,欧姆接触,主要取决于半导体的掺杂主要取决于半导体的掺杂浓度及金半接触的势垒高度浓度及金半接触的势垒高度 Heavily doped N+SimetalOhmic ContactN-Si metalSchottkyContact1010.1形成欧姆接触的方式形成欧姆接触的方式 高复合欧姆接触高复合欧姆接触高掺杂欧姆接触高掺杂欧姆接触 Al/N-Si势垒高度势垒高度 0.7eV需高掺杂欧姆接触需高掺杂欧姆接触 半导体表面的半导体表面的晶体缺陷晶体缺陷和高复合中心和高复合中心杂质杂质在半导体表面耗尽区中在半导体表面耗尽区中起复合中心作用起复合中心作用q低势垒欧姆接触低势垒欧姆接触 一般一般金属和金属和P型半导体型半导体 的接触势垒较低的接触势垒较低Al/p-Al/p-SiSi势垒高度势垒高度 0.40.4eVeV111210.2合金化合金化 合金化的合金化的目的是目的是使接触孔中的使接触孔中的金属与硅金属与硅之间之间形成形成低阻欧姆接触低阻欧姆接触,并,并增加增加金属与二氧化硅之间的金属与二氧化硅之间的附附着力着力在硅片制造业中,常用的各种金属和金属合金在硅片制造业中,常用的各种金属和金属合金铝铝铝铜合金铝铜合金铜铜硅化物硅化物金属填充塞金属填充塞阻挡层金属阻挡层金属13硅和硅片制造业中所选择的金属硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20(at 20C)C)14金金属属铝铝在半导体制造业中,在半导体制造业中,最早的互连金属是铝最早的互连金属是铝,目前,目前在在VLSIVLSI以下的工艺中仍然是最普通的互连金属。

以下的工艺中仍然是最普通的互连金属铝铝在在2020时具有时具有2.652.65-cm-cm的的低电阻率,低电阻率,另一方另一方面,铝能够很容易和二氧化硅反应,加热形成氧面,铝能够很容易和二氧化硅反应,加热形成氧化铝(化铝(AL2O3AL2O3),这),这促进了促进了氧化硅和铝之间的氧化硅和铝之间的附着附着还有铝还有铝容易淀积容易淀积在硅片上在硅片上基于这些原因,铝仍基于这些原因,铝仍然作为首先的金属应用于金属化然作为首先的金属应用于金属化铜、金及银的电阻率比铝稍低,可以减少信号的铜、金及银的电阻率比铝稍低,可以减少信号的延迟,提高芯片的工作速度延迟,提高芯片的工作速度然而然而铜和银都比较铜和银都比较容易腐蚀容易腐蚀,在硅和二氧化硅中有,在硅和二氧化硅中有高的扩散率高的扩散率,这,这些都些都阻止阻止它们它们被用于半导体制造被用于半导体制造在在2121世纪制造世纪制造高性能高性能ICIC工艺中,工艺中,铜互连金属有望取代铝铜互连金属有望取代铝15铝互连铝互连16欧姆接触欧姆接触为了在为了在金属和硅金属和硅之间形成之间形成欧姆接触欧姆接触,可,可通过加热完成通常在惰性气体或还通过加热完成通常在惰性气体或还原的氢气环境中,在原的氢气环境中,在400500进行,进行,此过程也被称为此过程也被称为低温退火或烧结低温退火或烧结)欧姆接触用特殊的欧姆接触用特殊的难熔金属(难熔金属(以硅化物以硅化物形式出现的钛),在硅表面作为接触以形式出现的钛),在硅表面作为接触以减小电阻、增强附着(见下图)。

减小电阻、增强附着(见下图)17欧姆接触结构欧姆接触结构Gate阻挡层金属欧姆接触铝、钨、铜等SourceDrainOxide在在300300o oC C以上,硅就以一定比例熔于铝中,在此温以上,硅就以一定比例熔于铝中,在此温度,恒温足够时间,就可在度,恒温足够时间,就可在Al-Al-SiSi界面形成一层很界面形成一层很薄的薄的Al-Al-SiSi合金AlAl通过通过Al-Al-SiSi合金和接触孔下的重合金和接触孔下的重掺杂半导体接触,形成欧姆接触掺杂半导体接触,形成欧姆接触Al-Al-SiSi系统一般合金温度为系统一般合金温度为450450o o500 500 18金属和硅接触的问题金属和硅接触的问题-尖峰现象尖峰现象spiking problemsspiking problems硅不均匀溶解到硅不均匀溶解到Al中,并向中,并向Al中扩散,硅片中留下中扩散,硅片中留下空洞空洞,Al填充到孔洞填充到孔洞,引起短路引起短路19解决解决spikingspiking问题的方法问题的方法 一种方法是一种方法是在在AlAl中掺入中掺入1-2%1-2%SiSi以满足溶解性以满足溶解性另一种方法是利用另一种方法是利用扩散阻挡层扩散阻挡层(Diffusion Barrier Diffusion Barrier)常用扩散阻挡层:常用扩散阻挡层:TiN,TiW较好的方法是采用阻挡层较好的方法是采用阻挡层,Ti Ti 或或 TiSiTiSi2 2有好的接触和黏有好的接触和黏附性附性,TiN TiN 可作为阻挡层可作为阻挡层20电迁移电迁移(electromigration)现象现象电流携带的电子把动量转移给导电的金属电流携带的电子把动量转移给导电的金属原子,使其移动,金属形成空洞和小丘原子,使其移动,金属形成空洞和小丘小丘短接的两条金属线金属线中的空洞21由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性,由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性,因此被选择为因此被选择为ICIC的主要互连材料。

然而的主要互连材料然而铝铝有众所有众所周知周知的电迁徒引起的电迁徒引起的的可靠性问题可靠性问题由于电迁徒,由于电迁徒,在金属表面金属原子堆起来形成小丘(如图所示)在金属表面金属原子堆起来形成小丘(如图所示)如果大量的小丘形成,毗邻的连线或两层之间的如果大量的小丘形成,毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在一起连线有可能短接在一起当当少量少量百分比的百分比的铜与铝形成合金,铜与铝形成合金,铝的电迁移现铝的电迁移现象会被显著的改善象会被显著的改善Al-Al-SiSi-Cu(0.5%)-Cu(0.5%)合金是最常使用的合金是最常使用的连线金属连线金属铝铜合金铝铜合金22由于由于ULSIULSI组件密度的增加,组件密度的增加,互连电阻互连电阻和和寄生电容寄生电容也会随之增加,从而也会随之增加,从而降低了信降低了信号的传播速度号的传播速度减小互连电阻减小互连电阻可通过用可通过用铜取代铝铜取代铝作为基作为基本的导电金属而实现对于亚微米的线本的导电金属而实现对于亚微米的线宽,需要宽,需要低低K K值层间介质(值层间介质(ILDILD)通过通过降低介电常数来减少寄生电容降低介电常数来减少寄生电容23ICIC互连金属化引入铜的优点互连金属化引入铜的优点1.1.电电阻阻率率的的减减小小:互互连连金金属属线线的的电电阻阻率率减减小小可可以以减少信号的延迟,增加芯片速度。

减少信号的延迟,增加芯片速度2.2.功耗的减少:功耗的减少:减小了线的宽度,降低了功耗减小了线的宽度,降低了功耗3.3.更更高高的的集集成成密密度度:更更窄窄的的线线宽宽,允允许许更更高高密密度度的电路集成,这意味着需要更少的金属层的电路集成,这意味着需要更少的金属层4.4.良良好好的的抗抗电电迁迁徒徒性性能能:铜铜不不需需要要考考虑虑电电迁迁徒徒问问题5.5.更更少少的的工工艺艺步步骤骤:用用大大马马士士革革 方方法法处处理理铜铜具具有减少工艺步骤有减少工艺步骤 2020 to 30%to 30%的潜力24对铜的挑战对铜的挑战 与与传传统统的的铝铝互互连连比比较较,用用铜铜作作为为半半导导体体互互连连主主要要涉涉及及三三个个方方面面的的挑挑战战,这这些些挑挑战战明明显显不不同同于于铝铝技术,在铜应用与技术,在铜应用与ICIC互连之前必须解决:互连之前必须解决:1.1.铜快速扩散进氧化硅和硅,铜快速扩散进氧化硅和硅,一旦进入器件的有源一旦进入器件的有源区,将会损坏器件区,将会损坏器件2.2.应用常规的应用常规的等离子体刻蚀工艺,铜不能容易形成等离子体刻蚀工艺,铜不能容易形成图形干法刻蚀铜时,在它的化学反应期间不产干法刻蚀铜时,在它的化学反应期间不产生挥发性的副产物,而这对于经济的干法刻蚀是生挥发性的副产物,而这对于经济的干法刻蚀是必不可少的。

必不可少的3.3.低温下(低温下(200200)空气中,)空气中,铜很快被氧化铜很快被氧化,而,而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化且不会形成保护层阻止铜进一步氧化25用用于于铜铜互互连连结结构构的的阻阻挡挡层层:提提高高欧欧姆姆接接触触可可靠靠性性更更有有效效的的方方法法是是用用阻阻挡挡层层金金属属化化,这这种种方方法法可可消消除除诸诸如如浅浅结结材材料料刻刻蚀蚀或或结结尖尖刺刺的的问问题题阻阻挡挡层层金金属属是是淀淀积积金金属属或或金金属属塞塞,作作用用是是阻阻止止层层上上下下的的材材料料互互相相混混合合(见见下下图图)其其厚厚度度对对0.250.25m m工工艺艺。

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