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1、微电子工艺学MicroelectronicProcessing第七章接触与互连张道礼张道礼 教授教授Email: Email: zhang-zhang-Voice: 87542894Voice: 875428941教育教学后端工艺后端工艺backend of the line technology (BEOL)backend of the line technology (BEOL)：将器件连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。物理上均被介质隔离。全局互连全局互连（AlAl）局部互连局部
2、互连 （多晶硅（多晶硅, , 硅化物硅化物, , TiNTiN）（IMDIMD）接触（接触（contactcontact）金属和硅的结合部金属和硅的结合部通孔（通孔（viavia）用于连接不同层的金属连线用于连接不同层的金属连线金属间介质（金属间介质（IMDIMD）钝化层（钝化层（passivationpassivation）（PMDPMD）7.1 7.1 概述概述2教育教学后端工艺越来越重要后端工艺越来越重要占了工艺步骤中大部分占了工艺步骤中大部分影响影响ICIC芯片的速度芯片的速度多层金属互连多层金属互连增加了电路功增加了电路功能并使速度加能并使速度加快快7.1 7.1 概述概述3教育教学
3、互互连连的的速速度度限限制制的的简简单单估估计计由全局互连造成的延迟可以表达为：由全局互连造成的延迟可以表达为：其中其中e eoxox是介质的介电常数，是介质的介电常数，K K是边缘场是边缘场效应的修正系数，效应的修正系数，r r是金属线的电阻率是金属线的电阻率e7.1 7.1 概述概述4教育教学7.2 7.2 金属化金属化金属化：金属化：是指用于互连、欧姆接触、金属-半导体整流接触的金属膜的形成过程。半导体物理中讨论过欧姆接触及整流接触的电流-电压特性。金属膜可用多种方法形成，最重要的是物理气相淀积法和化学气相淀积法。将讨论两类最重要的金属：铝、铜及金属硅化物。这些金属广泛用于分立器件及集成
4、电路。5教育教学对对ICIC金属化系统的主要要求金属化系统的主要要求 (1) (1) 金属和金属和n+n+硅和硅和p+p+硅或多晶硅硅或多晶硅半导体形成低阻接触半导体形成低阻接触(2) (2) 能提供低电阻的互连引线，从而提高电路速度能提供低电阻的互连引线，从而提高电路速度(3) (3) 与绝缘体与绝缘体( (如二氧化硅如二氧化硅) )或其它介质层的粘附性好或其它介质层的粘附性好(4) (4) 台阶覆盖好台阶覆盖好(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) 易于淀积和刻蚀易于淀积和刻蚀(7) (7) 制备工艺简单制备工艺简单(8) (8) 易
5、键合，且键合点能经受长期工作易键合，且键合点能经受长期工作(9) (9) 层层与与层层之之间间绝绝缘缘要要好好，不不互互相相渗渗透透和和扩扩散散，即即要要求求有有一个扩散阻挡层一个扩散阻挡层电学、机械、热学、热力学及化学电学、机械、热学、热力学及化学7.2 7.2 金属化金属化6教育教学可能形成互连的导电材料可能形成互连的导电材料金属金属 (metal)(metal)：low resistivitylow resistivity多晶硅多晶硅(poly(polySi)Si)：Medium resistivity)Medium resistivity)硅化物硅化物(metal silicides)
6、(metal silicides)：介于以上二者之间：介于以上二者之间7.2 7.2 金属化金属化7教育教学常用金属薄膜比较常用金属薄膜比较 金膜金膜：早期的金属化材料缺点：与Si的接触电阻很高，下部需要一个铂中间层；柔软，上部需要一层钼；优点：导电性最好。工艺：溅射铜膜：新一代的金属化材料，超大规模集成电路的内连线缺点：与Si的接触电阻高，不能直接使用；铜在Si中是快扩散杂质，能使Si中毒，铜进入Si内改变器件性能；与Si、SiO2粘附性差。优点：电阻率低（只有铝的40-45%） ，导电性较好；抗电迁移性好于铝两个数量级。工艺：溅射铝膜: 大多数微电子器件或集成电路是采用铝膜做金属化材料缺点
7、：抗电迁移性差；耐腐蚀性、稳定性差 ；台阶覆盖性较差。优点：导电性较好；与p-Si，n+-Si（51019 ）能形成良好的欧姆接触；光刻性好；与二氧化硅黏合性好；易键合。工艺：蒸发，溅射7.2 7.2 金属化金属化8教育教学Properties of Interconnect MaterialsMaterialThin film resistivity (cm)Melting point (oC)Al2.7-3.0660W8-153410Cu1.7-2.01084Ti40-701670PtSi28-351229C54 TiSi213-161540WSi230-702165CoSi215-201
8、326NiSi12-20992TiN50-1502950Ti30W7075-2002200Heavily doped poly-Si450-1000014177.2 7.2 金属化金属化9教育教学 定定义义：零零偏偏压压附附近近电电流流密密度随电压的变化率度随电压的变化率比接触电阻比接触电阻 c c 的单位的单位: Wcm: Wcm2 2 或或 mm2 2 接触电阻接触电阻：衡量欧姆接触质量的参数是衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻比接触电阻 c重掺杂硅重掺杂硅金属线金属线接触面积接触面积A A金属金属SiSi之间，之间， c c在在1010-5-51010-9-9 Wcm Wcm2 2金属金
9、属之间，金属金属之间， c c1010101919/cm/cm3 37.2 7.2 金属化金属化12教育教学形成欧姆接触的方式形成欧姆接触的方式低势垒欧姆接触：一般金属和低势垒欧姆接触：一般金属和p p型半导体型半导体 的接触势垒较低的接触势垒较低 高掺杂欧姆接触高掺杂欧姆接触 Al/Al/n n-type Si-type Si势垒高度势垒高度 0.7 eV0.7 eV需高掺杂欧姆接触需高掺杂欧姆接触 Al/Al/p p-type Si-type Si势垒高度势垒高度 0.4 eV0.4 eV1.12 eV1.12 eV7.2 7.2 金属化金属化13教育教学因为铝及铝合金具有低电阻率(铝约为
10、2.7cm，铝合金最高约为3.5cm)，故可满足低电阻的需求，此外，铝附着于二氧化硅上的特性极佳。因此，铝及铝合金在IC金属化工艺中使用范围相当广泛，铝膜的淀积可由PVD或CVD的方式完成。然而IC工艺中使用铝于浅结上易造成尖锲(spiking)或电迁移(electromigration)的问题7.2 7.2 金属化金属化14教育教学最常用的材料是最常用的材料是AlAl：采用溅射淀积：采用溅射淀积 Al Al 金属化系统失效的现象金属化系统失效的现象AlAl的电迁移的电迁移（ElectromigrationElectromigration）Al/SiAl/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象C
11、uCu正全面取代正全面取代AlAl铝铝互互连连技技术术7.2 7.2 金属化金属化15教育教学Al/SiAl/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象1 1）硅和铝不能发生化学反应形成硅化物，但在退火温度）硅和铝不能发生化学反应形成硅化物，但在退火温度下（下（400-500 400-500 C C），硅在铝中的固溶度较高（固溶度），硅在铝中的固溶度较高（固溶度随温度呈指数增长），会有可观的硅原子溶解到随温度呈指数增长），会有可观的硅原子溶解到AlAl中。中。2 2）退火温度下，）退火温度下，SiSi在在AlAl膜中的扩散系数非常大膜中的扩散系数非常大在薄在薄膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的膜晶粒间界
12、的扩散系数是晶体内的4040倍。倍。3) Al3) Al和和SiOSiO2 2会发生反应：会发生反应：4Al+3SiO4Al+3SiO2 22Al2Al2 2OO3 3+3Si+3SiAlAl与与SiSi接接触触时时，AlAl可可以以“吃吃掉掉”SiSi表表面面的的天天然然SiOSiO2 2层层( (1 nm)1 nm)，使接触电阻下降；，使接触电阻下降；可以增加可以增加AlAl与与SiOSiO2 2的粘附性。的粘附性。SiOSiO2 2厚度不均匀，会造成严重的尖楔现象。厚度不均匀，会造成严重的尖楔现象。7.2 7.2 金属化金属化16一、结尖锲右图为1atm下铝-硅体系的相图，显示两种材料的
13、组成比例与温度间的关系铝-硅体系有低共熔特性，即将两者互相掺杂时，合金的熔点较两者中任何一种材料都低，熔点的最低点称为共熔温度(eutectic temperature)，Al-Si体系为577，相当于硅占11.3、铝占88.7的合金熔点而纯铝与纯硅的熔点分别为660 及1412，基于此特性，淀积铝膜时硅衬底的温度必须低于577 。7.2 7.2 金属化金属化17教育教学右图中的插图为硅元素在铝中的固态溶解度。如400时硅在铝中的固态溶解度约为0.25(重量比，下同)；450时为0.5；500 时为0.8。因此，铝与硅接触时，硅将会溶解到铝中，其溶解量不仅与退火温度有关，也和铝的体积有关7.2
14、 7.2 金属化金属化18教育教学考虑一铝的长导线，铝与硅的接触面积为ZL，经退火时间t后，硅将沿与铝线接触的边缘扩散，长度为(Dt)1/2，假设硅在此段膜中已经达到饱和，则消耗硅的体积为（S为退火后硅在铝中的固溶度）7.2 7.2 金属化金属化假设硅很均匀地消耗在接触面积ZL上，则被消耗的硅的厚度约为：19教育教学考虑一铝的长导线，铝与硅的接触面积为ZL=16m2，Z=5m，H=1m，在T=500退火时间t=30min后，求被消耗的硅的厚度。计算时假设为均匀溶解。7.2 7.2 金属化金属化解：500时硅在铝中的扩散系数约为210-8cm2/s，故扩散长度约为60m，铝与硅的密度比值约为2.
15、7/2.33=1.16；500时的S约为0.8%。则被消耗的硅的厚度约为：此结果下，铝将填入硅中的深度约为0.35m。若该接触区有浅结，其深度比b要小，则硅扩散至铝中将可能造成结短路。20教育教学事实上，硅并不会均匀地溶解，而是发生在某些点上下图为在p-n结中，铝穿透到硅中的实际情形，可观察到仅有少数几个点有尖锲形成7.2 7.2 金属化金属化21教育教学铝的尖楔铝的尖楔SEMSEM照片照片7.2 7.2 金属化金属化22教育教学减少铝尖锲的方法一种是将铝与硅共同蒸发，使铝中的硅含量到达固态溶解的要求。另一种方法是在铝与硅衬底中加入金属阻挡层(Diffusion Barrier) (如下图所示
16、)。此层必须满足以下的要求：与硅形成的接触电阻要小；不会与铝起反应；淀积及形成方式必须与其他所有工艺相容。目前，经评估发现TiN可在550、30min退火环境下呈现稳定状态，适合作为金属阻挡层。7.2 7.2 金属化金属化23教育教学铝的电迁移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 evoidHillock7.2 7.2 金属化金属化24教育教学电迁移引起的到平均失效时间（MTF）与电
17、流密度J及激活能Ea间的关系大致为铝膜的Ea0.5eV，这表明材料迁移主要形式是低温下晶粒间界扩散，因为单晶铝自扩散的Ea1.4eV。7.2 7.2 金属化金属化25教育教学7.2 7.2 金属化金属化26教育教学阻止电迁移的方法有阻止电迁移的方法有与0.54铜形成合金(可可以以降降低低铝铝原原子子在在晶晶间间的的扩扩散散系系数数。但但同同时时电电阻阻率率会会增增加加！)、以介质将导通封闭起来、淀积时加氧。由于铜的抗电迁移性好，铝-铜（0.5-4%）或铝-钛（0.1-0.5%）合金结构防止电迁移，结合Al-Si合金，在实际应用中人们经常使用既含有铜又含有硅的Al-Si-Cu合金以防止合金化（即
18、共熔）问题和电迁移问题。7.2 7.2 金属化金属化27教育教学铜镀膜铜镀膜为降低金属连线的RC时间延迟，需使用高电导率的导线与低介电常数的绝缘层，这已是大家的共识。对未来新的金属连线工艺，铜是很明显的选择，因为相对于铝，它具有较高的导电性与较强的电迁移抵抗能力。铜的淀积可用PVD、CVD及电化学等方式。然而相对于铝，在ULSI电路的领域中，铜的使用亦有其缺点。例如，在标准的芯片工艺下，有易腐蚀的倾向、缺乏可行的干法刻蚀方式、不像铝有稳定的自我钝化(self-passivating)氧化物Al2O3以及与介质(如二氧化硅或低介电常数的聚合物)的附着力太差等。7.2 7.2 金属化金属化28教育
19、教学各种用来制作多层铜导线的技术相继被提出第一种方法是以传统的方式去定义金属线，再进行介质淀积；第二种方法是先定义介质，然后再将金属铜填人沟槽内，随后进行化学机械抛光(将在11.4.5中讨论)以去除在介质表面多余的金属而仅保留孔或沟槽内的铜，这种方法称为嵌入工艺(damascene process)嵌入技术：嵌入技术：使用铜一低介电常数介质作互连线的方法是“嵌入法”或是“双层嵌入法”(dual damascene)对一个典型的嵌入式结构，先规定金属线的沟槽并刻蚀层间介质(interlayer dielectric，ILD)，再填入金属TaN/Cu。TaN的目的是作为扩散阻挡层以阻止铜穿透低介电
20、常数的介质。表面上多余的铜将被去除，因此可获得一平面结构，而金属则镶嵌在介质中。7.2 7.2 金属化金属化29教育教学对于双层嵌入法而言，在淀积金属铜前，先进行图形曝光工艺，并刻蚀出通孔及沟槽，如右图(a)(d)所示。接着，对铜进行化学机械抛光，使介质表面平坦且没有多余的金属，只有在绝缘层通孔内才镶嵌着金属。使用双层嵌入法的好处是通孔插栓与金属线是相同的材料，所以可减少由通孔产生电迁移失效的问题。7.2 7.2 金属化金属化30教育教学如果我们以铜导线取代传统铝导线，并采用低介电常数的介质(k=2.6)取代二氧化硅，将可减低多少百分比的RC时间常数？（铝的电阻率为2.7cm，而铜为1.7cm
21、)。解：7.2 7.2 金属化金属化31教育教学金属硅化物金属硅化物硅可以与金属形成许多稳定的金属性的及半导电的化合物。有数种具有低的电阻率及高热稳定性的金属硅化物可应用与ULSI领域中。如TiSi2、CoSi2等。当器件尺寸变小，金属硅化物在金属化工艺中变得越来越重要，一个重要应用是MOSFET的栅极，或是在有掺杂的多晶硅上形成多晶硅化物。7.2 7.2 金属化金属化32教育教学金属硅化物常用来降低源极、漏极、栅极及金属连线的接触电阻。自对准硅化物技术自对准硅化物技术已被证明可用来改善亚微米器件及电路的特性。自对准技术的步骤是使用金属硅化物的栅区作为掩蔽层来形成MOSFET的源区和漏区，可降
22、低电极的相互重叠及寄生电容。7.2 7.2 金属化金属化33教育教学典型的多晶硅化物的形成步骤如右图所示。在溅射淀积过程中，需使用高温、高纯度合成的靶材来确保金属硅化物的品质。一般最常用来形成多晶硅化物的是硅化钨(WSi2)、硅化钽(TaSi2)及硅化钼(MoSi2)。它们都耐热，在高温下仍稳定，并对工艺中常用的化学药品具有抗腐蚀能力。7.2 7.2 金属化金属化34教育教学自对准的金属硅化物的形成步骤如右图所示。在工艺中，多晶硅栅极在金属硅化物形成前先形成，接着以二氧化硅或氮化硅形成侧壁间隔物(sidewall spacer)用以防止形成金属硅化物时栅极与源/漏极问的短路。然后将金属Ti或C
23、o溅射于整个晶片表面，接着进行金属硅化物的合成热处理。7.2 7.2 金属化金属化35教育教学金属硅化物原则上只在金属与硅接触的区域形成。最后以湿法腐蚀的方式将未反应的金属刻蚀掉，只留下金属硅化物。这种技术不需要规定复合层的多晶硅化物栅极，且在源/漏极都形成金属硅化物，降低了接触电阻。7.2 7.2 金属化金属化36教育教学金属硅化物具有低电阻率及良好的热稳定性，因此在ULSI电路应用中深具潜力硅化钴具有低电阻率及良好的热稳定性，最近已被广泛地研究。然而，钴对氧化物(native oxide)与含氧的环境都相当敏感，有相当大部分的硅会被硅化工艺中被消耗掉。7.2 7.2 金属化金属化37教育教
24、学金属硅化物作为接触材料金属硅化物作为接触材料特点：类金属，低电阻率（特点：类金属，低电阻率（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等等Low-k integrationLow-k integration7.4 7.4 互连技术互连技术64教育教学low klow ka-C:H a-C:H 7.4 7.4 互连技术互连技术65教育教学Low k polymerLow k polymer7.4 7.4 互连技术互连技术66教育教学近年来，CMP的发展对多层金属连线日趋重要，在于它是目前唯一可全局性平坦化可全局性
25、平坦化（整个晶片表面变为一平坦表面）的技术。优点：对大小结构均可以得到较好的全面性平坦化、减少缺陷的密度及避免等离子体损伤。CMP的三种方法如下：方式晶片面 抛光平台运行方式抛光液加入方式旋转式CMP 朝下平台旋转相对于旋转晶片滴至抛光垫表面轨道式CMP 朝下轨道相对于旋转晶片渗透抛光垫表面线性CMP朝下线性相对于旋转晶片滴至跑垫表面7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP67教育教学1 1）随着特征尺寸的减小，受到光刻分辨率的限制：）随着特征尺寸的减小，受到光刻分辨率的限制：R R ，则，则l l 和和/ /或或NANADOFDOF下降！下降！例如：例如：0.25 mm 0.25
26、 mm 技术节点时，技术节点时，DOF DOF 208 nm 208 nm；0.18 0.18 mm mm 技术节点时，技术节点时，DOF DOF 150 nm 150 nm 0.25 mm 0.25 mm 后，必须用后，必须用CMPCMP才能实现表面起伏度才能实现表面起伏度200 nm200 nm必要性：必要性：单独只采用机械方式抛光，理论上也可达到平坦化的需求。但却会造成材料表面的机械损伤7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP68教育教学2 2）可以减少金属在介质边墙处的减薄现象，改善金属互）可以减少金属在介质边墙处的减薄现象，改善金属互连性能连性能不平坦时的台不平坦时的台阶
27、覆盖问题阶覆盖问题使用使用CMPCMP之之后后7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP69教育教学CMPCMP工艺：工艺：要抛光的表面、抛光垫（将机械力转移到要抛光的表面）、抛光液（提供化学及机械两种效果）。7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP70教育教学具体来讲是在晶片与抛光垫(pad)之间加入抛光液(slurry)，并持续移动要平坦化的晶片面摩擦抛光垫抛光液中具有研磨作用的颗粒会使晶片表面有机械损伤，这有利于在抛光液中进行化学反应，或使表面疏松破裂并在抛光液中分解而被带走因为大部分化学反应是等向性的，所以CMP工艺必须量身订做，使其能对表面的突出点有较快的抛光速
28、率，以达到平坦化的效果7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP71教育教学CMPCMP三个关键硬件：三个关键硬件：Polishing padPolishing padWafer carrierWafer carrierSlurry dispenserSlurry dispenser7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP72教育教学7.5 7.5 化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP73教育教学氧化膜与氧化膜下方(称之为停止层，Stop Layer)的去除速率分别为v及0.1v，去除1m的氧化膜及0.01m的停止层要5.5min。试求氧化膜的去除率。解：7.5 7.5
29、化学机械抛光化学机械抛光CMPCMP74教育教学接触和互连总结接触和互连总结金半接触类型金半接触类型整流接触：整流接触：n-Sin-SiMM欧姆接触：欧姆接触：p-Sip-SiAl, nAl, n+ +-Si/p-Si/p+ +-Si-SiMM硅化物接触：硅化物接触：低阻、低阻、欧姆接触欧姆接触掺掺Cu/SiCu/Si阻挡层：阻挡层：TiNTiN，金属硅化物金属硅化物AlAl：电迁移、尖楔：电迁移、尖楔平坦化技术：平坦化技术： CMPCMP本章小结本章小结75教育教学1.金属薄膜的用途？金属化的作用?2.列表比较常见金属的特性。3.说明为什么铝作为通常使用的金属薄膜，说明铜作为新一代金属薄膜的
30、原因。4. VLSI对金属化的要求是什么？5. Al-Si接触的常见问题及解决办法？6.说明难熔金属在金属连线中的作用？7.金属化的实现方法有几种？请论述真空溅射方法。8.说明金属CVD的优势和主要用途。9一电子束蒸发系统淀积铝以完成MOS电容的制作若电容的平带电压因电子束辐射而变动0.5V，试计算有多少固定氧化电荷(氧化膜厚度为50nm)?试问如何将这些电荷去除?10一金属线长20m，宽0.25m，薄层电阻值为5/请计算此线的电阻值11计算TiSi2与CoSi2的厚度，其中Ti与Co的初始厚度为30nm12比较TiSi2与CoSi2在自对准金属硅化物应用方面的优、缺点本章习题本章习题76教育
31、教学13.一介质置于两平行金属线间，其长度L=lcm，宽度W=0.28m，厚度T=0.3m，两金属间距s为0.36m。(a)计算RC时间延迟。假设金属材料为铝，其电阻率为2.67cm，介质为氧化膜，其介电常数为3.9。(b)计算RC时间延迟。假设金属材料为铜，其电阻率为1.7cm，介质为有机聚合物，其介电常数为2.8。(c)比较(a)、(b)中结果，我们可以减少多少RC时间延迟?14假设电容的边缘因子(fringing factor)为3，边缘因子是由于电场线分布超出金属线的长度与宽度的区域，重复计算上题(a)及(b)。15为避免电迁移的问题，最大铝导线的电流密度不得超过5105A/cm2假设导线长为2mm,宽为1m，最小厚度为1m，此外有20的线在台阶上，该处厚度为0.5m。试计算此线的电阻值及铝线两端可承受的最大电压。假设电阻率为310-6cm。16在布局金属线时若要使用铜，必须克服以下几点困难：铜通过二氧化硅层而扩散；铜与二氧化硅层的附着性；铜的腐蚀性。有一种解决的方法是使用具有包覆性、附着性的薄膜来保护铜导线。考虑一被包覆的铜导线，其横截面积为0.5m0.5m，与相同尺寸大小的TiN/Al/TiN导线相比(其中上层TiN厚度为40 nm，下层为60 nm)，其最大包覆层的厚度为多少?(假设被包覆的铜线与TiN/A1/TiN线的电阻相等)本章习题本章习题77教育教学
