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1、集成电路制造技术集成电路制造技术第九章第九章 金属化与多层互连金属化与多层互连西安电子科技大学西安电子科技大学微电子学院微电子学院戴显英戴显英2012012 2年年8 8月月第九章第九章 金属化与多层互连金属化与多层互连金属化：金属及金属性材料在金属化：金属及金属性材料在ICIC中的应用。中的应用。金属化材料金属化材料分类：（按功能划分）分类：（按功能划分）MOSFETMOSFET栅电极材料栅电极材料MOSFETMOSFET器件的组成部分；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。定功能的电路模块。接触材料直接与半导体材料接
2、触的材料，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。以及提供与外部相连的接触点。互连材料互连材料InterconnectionInterconnection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CuCMOSCMOS标准金属化标准金属化n互连：互连：Al-CuAl-Cu合金合金n接触孔与通孔：金属接触孔与通孔：金属W W（Ti/TiN/WTi/TiN/W）nTi/TiNTi/TiN：焊接层、阻挡层、防反射层：焊接层、阻挡层、防反射层n电极材料：金属硅化物，如电极材料：金属硅化物，如TiSi2T
3、iSi29.1 9.1 集成电路对金属化的基本要求集成电路对金属化的基本要求1. 1. 形成低阻欧姆接触；形成低阻欧姆接触；2. 2. 提供低阻互连线；提供低阻互连线；3. 3. 抗电迁移；抗电迁移；4. 4. 良好的附着性；良好的附着性；5. 5. 耐腐蚀；耐腐蚀；6. 6. 易于淀积和刻蚀；易于淀积和刻蚀；7. 7. 易键合；易键合；8. 8. 层与层之间绝缘要好。层与层之间绝缘要好。9.2 9.2 金属化材料及应用金属化材料及应用n常用金属材料：常用金属材料： AlAl、CuCu、PtPt、AuAu、W W、MoMo等等n常用的金属性材料：常用的金属性材料：1 1）掺杂的）掺杂的poly
4、-Sipoly-Si；2 2）金属硅化物）金属硅化物-PtSi-PtSi、CoSiCoSi2 2、WSiWSi2 2、TiSiTiSi2 2；3 3）金属合金）金属合金-AlSi-AlSi、AuCuAuCu、CuPtCuPt、TiBTiB2 2 、 SiGe SiGe 、 ZrB ZrB2 2 、TiCTiC、MoCMoC、TiNTiN。1 1、多晶硅、多晶硅栅和局部互连，栅和局部互连，70s70s中期后代替中期后代替AlAl作为栅极，作为栅极，高温稳定性：满足注入后退火的要求，高温稳定性：满足注入后退火的要求，AlAl不能自对准不能自对准重掺杂，重掺杂，LPCVDLPCVD淀积淀积2 2、硅
5、化物、硅化物电阻率比多晶硅更低，电阻率比多晶硅更低，常用常用TiSiTiSi2 2, WSi, WSi2 2和和 CoSiCoSi2 29.2 9.2 金属化材料及应用金属化材料及应用自对准形成硅化钛自对准形成硅化钛9.2 9.2 金属化材料及应用金属化材料及应用2 2、硅化物、硅化物3 3、铝（、铝（AlAl）最常用的金属最常用的金属导电性第四好的金属导电性第四好的金属 铝铝 2.65 2.65 -cm-cm 金金 2.2 2.2 -cm-cm 银银 1.6 1.6 -cm-cm 铜铜 1.7 1.7 -cm-cm1970s1970s中期以前用作栅电极金属中期以前用作栅电极金属9.2 9.2
6、 金属化材料及应用金属化材料及应用4 4、钛、钛TiTi：硅化钛、氮化钛硅化钛、氮化钛1 1）阻挡层：防止）阻挡层：防止W W扩散扩散2 2）粘合层：帮助）粘合层：帮助W W与与SiOSiO2 2表面粘合在一起表面粘合在一起3 3）防反射涂层）防反射涂层ARCARC（Anti-reflection Anti-reflection coatingcoating），防止反射提），防止反射提高光刻分辨率高光刻分辨率Ti/TiNTi/TiN的作用：的作用：9.2 9.2 金属化材料及应用金属化材料及应用5 5、钨、钨W W 接触孔和通孔中的金属塞接触孔和通孔中的金属塞 接触孔变得越来越小和越窄接触孔变
7、得越来越小和越窄 PVD Al PVD Al合金合金: : 台阶覆盖性差，产生空洞台阶覆盖性差，产生空洞 CVD W: CVD W: 出色的台阶覆盖性和空隙填充能力出色的台阶覆盖性和空隙填充能力 CVD W CVD W：更高电阻率：更高电阻率: 8.0-12 mW-cm: 8.0-12 mW-cm PVD Al PVD Al合金合金 (2.9 -3.3 mW-cm)(2.9 -3.3 mW-cm) W W只用作局部互连和金属塞只用作局部互连和金属塞9.2 9.2 金属化材料及应用金属化材料及应用接触工艺的演变接触工艺的演变9.2 9.2 金属化材料及应用金属化材料及应用W W钨钨 CVDCVD
8、nW W原料：原料：WFWF6 6n先与先与SiHSiH4 4反应形成反应形成W W淀积的核层淀积的核层: : 2WF 2WF6 6(g)(g) +3SiH+3SiH4 42W(s)+3SiF2W(s)+3SiF4 4(g)+6H(g)+6H2 2n再与再与H H2 2反应淀积反应淀积W: WFW: WF6 6(g)(g) +3H+3H2 2W(s)+6HF(g)W(s)+6HF(g)n需要需要TiN/TiTiN/Ti层与氧化物黏附层与氧化物黏附W Plug and TiN/Ti W Plug and TiN/Ti Barrier/Adhesion LayerBarrier/Adhesion
9、Layer6 6、铜、铜 Low resistivity (1.7 mWcm), 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 9.2 金属化材料及应用金属化材料及应
10、用9.3 Al9.3 Al的性质及现象的性质及现象电阻率：电阻率：AlAl为为2.72.7/cm/cm，（Au2.2 Au2.2 /cm/cm，Ag1.6 Ag1.6 /cm/cm， Cu 1.7 Cu 1.7/cm/cm） Al Al合金为合金为3.5 3.5 /cm/cm；溶解度：溶解度：AlAl在在SiSi中很低，中很低， Si Si在在AlAl中相对较高，如中相对较高，如 400 400时，时，0.25wt%0.25wt%； 450 450时，时，0.5wt%0.5wt%； 500 500时，时，0.8wt%0.8wt%；Al-SiAl-Si合金退火：合金退火：相当可观的相当可观的Si
11、Si 溶解到溶解到AlAl中。中。9.2.1 Al9.2.1 Al的性质的性质9.2.2 Al/Si9.2.2 Al/Si接触的物理现象接触的物理现象Al/SiAl/Si互溶：互溶：AlAl在在SiSi中的溶解度非常低；中的溶解度非常低； Si Si在在AlAl中的溶解度相对较高：中的溶解度相对较高： SiSi在在AlAl中扩散：中扩散：SiSi在在AlAl薄膜中的扩散比在晶体薄膜中的扩散比在晶体AlAl中中 大大4040倍。倍。AlAl与与SiOSiO2 2反应：反应：3SiO3SiO2 2+4Al3Si+2Al+4Al3Si+2Al2 2O O3 3n好处：降低好处：降低Al/SiAl/S
12、i欧姆接触电阻；欧姆接触电阻； 改善改善AlAl与与SiOSiO2 2的粘附性。的粘附性。9.3 Al9.3 Al的性质及现象的性质及现象9.2.3 Al/Si9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象接触的尖楔现象n图图9.3 Al-Si9.3 Al-Si接触引线工艺接触引线工艺T=500T=500，t=30min.t=30min.，A=16A=16mm2 2，W=5mW=5m，d=1d=1mm，消耗，消耗SiSi层厚度层厚度 Z=0.35mZ=0.35m。（相当于（相当于VLSIVLSI的结深）的结深）SiSi非均匀消耗，非均匀消耗，实际上，实际上，A A* *AZZ，故，故 Al Al形成尖楔
13、形成尖楔9.3 Al9.3 Al的性质及现象的性质及现象n尖楔机理：尖楔机理：SiSi在在AlAl中的溶解度及快速中的溶解度及快速扩散，使扩散，使AlAl像尖钉一样楔进像尖钉一样楔进SiSi衬底；衬底；n深度：深度：超过超过1 1mm；n特点：特点：衬底：横向扩展衬底：横向扩展 衬底：纵向扩展衬底：纵向扩展nMOSMOS器件突出。器件突出。n改善：改善：AlAl中加中加1wt1wt-4wt-4wt的过量的过量SiSi9.2.3 Al/Si9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象接触的尖楔现象9.3 Al9.3 Al的性质及现象的性质及现象9.2.4 9.2.4 电迁移现象及改进电迁移现象及改进电迁
14、移：电迁移：大电流密度下，导电电子与铝金属离子发生动量交大电流密度下，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。换，使金属离子沿电子流方向迁移。现象：现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路；在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路； 在在 阴极端形成空洞，导致电极开路。阴极端形成空洞，导致电极开路。改进电迁移的方法改进电迁移的方法a.a.“竹状竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。结构：晶粒间界垂直电流方向。b.Al-Cu/Al-Si-Cub.Al-Cu/Al-Si-Cu合金：合金：CuCu等杂质的分凝降低等杂质的分凝降低AlAl在晶粒间界在晶粒间界 的扩散系数。
15、的扩散系数。c.c.三层夹心结构：两层三层夹心结构：两层AlAl之间加一层约之间加一层约500500的金属过渡层，的金属过渡层， 如如TiTi、HfHf、CrCr、TaTa。d.d.新的互连线：新的互连线：CuCu9.3 Al9.3 Al的性质及现象的性质及现象9.4 Cu9.4 Cu及低及低K K介质介质n9.4.1 9.4.1 问题的引出：问题的引出： 互连线延迟随器件互连线延迟随器件 尺寸的缩小而增加；尺寸的缩小而增加； 亚微米尺寸，互连延亚微米尺寸，互连延 迟大于栅（门）延迟迟大于栅（门）延迟9.4 Cu9.4 Cu及低及低K K介质介质n9.4.2 9.4.2 如何降低：如何降低：
16、RC RC常数：表征互连线延迟，即常数：表征互连线延迟，即 。- -互连线电阻率，互连线电阻率，l-l-互连线长度，互连线长度，- -介质层介电常数介质层介电常数 低低的互连线：的互连线：CuCu，=1.72=1.72cmcm； （AlAl，=2.82=2.82cmcm） 低低K K （）的介质材料：）的介质材料： 3.53.59.4.3 Cu9.4.3 Cu互连工艺的关键互连工艺的关键CuCu的淀积：不能采用传统的的淀积：不能采用传统的AlAl互连布线工艺。互连布线工艺。 （没有适合（没有适合CuCu的传统刻蚀工艺）的传统刻蚀工艺）低低K K介质材料的选取与淀积介质材料的选取与淀积：与：与C
17、uCu的兼容性，工艺兼容性，的兼容性，工艺兼容性， 高纯度的淀积，可靠性。高纯度的淀积，可靠性。势垒层材料的选取和淀积势垒层材料的选取和淀积：防止：防止CuCu扩散；扩散； CMP CMP和刻蚀的停止层。和刻蚀的停止层。CuCu的的CMPCMP平整化平整化大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺低低K K介质和介质和CuCu互连的可靠性互连的可靠性9.4.4 Cu9.4.4 Cu互连工艺流程互连工艺流程9.4.5 Cu9.4.5 Cu的淀积的淀积n主要问题：缺乏刻蚀主要问题：缺乏刻蚀CuCu的合适的传统工艺。的合适的传统工艺。n解决：大马士革镶嵌工艺流程：解决：大马士革
18、镶嵌工艺流程： 在低在低K K介质层上刻蚀出介质层上刻蚀出CuCu互连线用的沟槽；互连线用的沟槽； CVD CVD淀积一层薄的金属势垒层：防止淀积一层薄的金属势垒层：防止CuCu的扩散；的扩散； 溅射淀积溅射淀积CuCu的籽晶层：电镀或化学镀的籽晶层：电镀或化学镀CuCu需要；需要； 沟槽和通孔淀积沟槽和通孔淀积CuCu：电镀或化学镀；：电镀或化学镀； 400 400下退火；下退火； Cu Cu的的CMPCMP。铜金属化（铜金属化（Copper MetallizationCopper Metallization）多层多层CuCu互连互连9.5 9.5 多晶硅及硅化物多晶硅及硅化物n多晶硅：多晶
19、硅：CMOSCMOS多晶硅栅、局多晶硅栅、局域互连线；域互连线；9.5.1 9.5.1 多晶硅栅技术多晶硅栅技术n特点：源、漏自对准特点：源、漏自对准nCMOSCMOS工艺流程（图工艺流程（图9.129.12）n多晶硅栅取代多晶硅栅取代AlAl栅：栅： p p沟道沟道MOSMOS器件的器件的V VT T降低降低1.2-1.4V1.2-1.4V （通过降低（通过降低MSMS）；）；nV VT T降低提高了器件性能：降低提高了器件性能： 工作频率提高；工作频率提高；功耗降功耗降低；低；集成度提高；集成度提高；n多晶硅栅的优点：多晶硅栅的优点：实现自实现自对准的源漏；对准的源漏；降低降低V VT T
20、n互连延迟时间常数互连延迟时间常数: : RC=RLRC=RL2 2 oxox/t/toxox R R、 l- l- - -互连线方块电阻和长度，互连线方块电阻和长度， oxox、t toxox- -介质层的介电常数和厚度；介质层的介电常数和厚度；n局限性：电阻率过高，局限性：电阻率过高，只能作局部互连只能作局部互连；9.5.2 9.5.2 多晶硅互连及其局限性多晶硅互连及其局限性9.5 9.5 多晶硅及硅化物多晶硅及硅化物9.6 VLSI9.6 VLSI与多层互连与多层互连n多层互连的提出：多层互连的提出： 互连线面积占主要；互连线面积占主要； 时延常数时延常数RCRC占主要。占主要。互连引
21、线面积与各种互连延迟互连引线面积与各种互连延迟9.6.1 9.6.1 多层互连对多层互连对VLSIVLSI的意义的意义1.1.提高集成度；提高集成度；2.2.降低互连延迟：降低互连延迟：3. 3. 降低成本降低成本（目前（目前CuCu互连最高已达互连最高已达1010多层）多层）9.6 VLSI9.6 VLSI与多层互连与多层互连平坦化的必要性平坦化的必要性9.6.2 9.6.2 平坦化平坦化9.6 VLSI9.6 VLSI与多层互连与多层互连n台阶的存在：如，台阶的存在：如， 引线孔、通孔边缘；引线孔、通孔边缘；n影响：薄膜的覆盖效果；影响：薄膜的覆盖效果；n改善：改善：改进薄膜淀积的工艺：改
22、进薄膜淀积的工艺：行星旋转式真空蒸发装置；行星旋转式真空蒸发装置； 溅射替代蒸发；溅射替代蒸发；PSGPSG、BPSGBPSG回流；回流；平坦化工艺平坦化工艺9.6.2 9.6.2 平坦化平坦化9.6 VLSI9.6 VLSI与多层互连与多层互连BPSGBPSG回流工艺回流工艺牺牲层工艺牺牲层工艺：等离子刻蚀工艺，等离子刻蚀工艺，局域完全平坦化局域完全平坦化9.6.2 9.6.2 平坦化平坦化9.6.3 CMP9.6.3 CMP工艺工艺CMPCMP：chemical mechanical planarizationchemical mechanical planarization化学机械平面化
23、化学机械平面化 或或 chemical-mechanical polishing chemical-mechanical polishing 化学机械抛光化学机械抛光9.6 VLSI9.6 VLSI与多层互连与多层互连nCMPCMP的基本构成：的基本构成： 磨盘：聚亚胺酯薄片磨盘：聚亚胺酯薄片 磨料：磨料： a. a.反应剂：氧化剂；反应剂：氧化剂； b. b.摩擦剂：摩擦剂：SiOSiO2 2 nCMPCMP的基本机理：的基本机理： 金属被氧化，形成氧化物；金属被氧化，形成氧化物； SiO SiO2 2磨掉氧化物。磨掉氧化物。9.6.3 CMP9.6.3 CMP工艺工艺9.6 VLSI9.6
24、 VLSI与多层互连与多层互连9.6.4 CMOS IC9.6.4 CMOS IC的多层互连的多层互连1）PECVD Nitride9.6.4 CMOS IC9.6.4 CMOS IC的多层互连的多层互连2）PECVD USG3）PECVD Etch Stop Nitride4）PECVD USG5）Photoresist Coating9.6.4 CMOS IC9.6.4 CMOS IC的多层互连的多层互连Via 1 Mask6）Via 1 Mask Exposure and Development7）Etch USG, Stop on Nitride9.6.4 CMOS IC9.6.4 C
25、MOS IC的多层互连的多层互连8）Strip Photoresist9）Photoresist CoatingMetal 1 MaskMetal 1 Mask10）Metal 1 Mask Exposure and Development9.6.4 CMOS IC9.6.4 CMOS IC的多层互连的多层互连11）Etch USG and Nitride12）Strip Photoresist13）Deposit Tantalum Barrier Layer14）Deposit Copper9.6.4 CMOS IC9.6.4 CMOS IC的多层互连的多层互连15）CMP Copper and Tantalum16）PECVD Seal Nitride
