第九章-后端工艺课件

第九章 后端工艺 BACKEND TECHNOLOGYBACKEND TECHNOLOGY 9.1 引言引言9.2 接触9.3 互连和通孔9.4 介质第九章 后端工艺1集成电路工艺原理Backend technology:fabrication of interconnects andthe dielectrics that electrically and physically separatethem.后端工艺技术后端工艺技术:互连和介质互连和介质第九章 后端工艺2集成电路工艺原理早期的IC结构较现在的要简单的多多层金属互连增加了电路功能并使速度加快Local interconnects(polysilicon,silicides,TiN)versusglobal interconnects(usually Al).第九章 后端工艺3集成电路工艺原理 Backend processing is becoming more important.Larger fraction of total structure and processing.Starting to dominate total speed of circuit.第九章 后端工艺4集成电路工艺原理Intel 奔腾 III Merced（1999）6层金属互连，0.18m工艺，集成晶体管数2500万个，连线总长度达5km第九章 后端工艺5集成电路工艺原理q电路特征尺寸不断缩小q芯片引线数急剧增加q芯片内部连线长度迅速上升q金属布线层数不断增加第九章 后端工艺6集成电路工艺原理互连以及门的延迟和芯片面积的关系电路特征尺寸不断缩小电路特征尺寸不断缩小,芯片面积变大芯片面积变大均使互连线延迟时间增加均使互连线延迟时间增加第九章 后端工艺7集成电路工艺原理随着集成电路特征长度不断减少 互连延迟超过了器件门延迟第九章 后端工艺8集成电路工艺原理第九章 后端工艺9集成电路工艺原理可以简单估计互连引起的延迟时间由于多层布线引起的延迟由于多层布线引起的延迟(上升时间上升时间)可估计为可估计为:这里这里Kox是氧化层的介电常数是氧化层的介电常数,KI和边缘场有关和边缘场有关,是互连线的电阻率是互连线的电阻率R是传输线的电阻，是传输线的电阻，C是与传输线相关连的所有电容之和是与传输线相关连的所有电容之和第九章 后端工艺10集成电路工艺原理对IC金属化系统的主要要求(1)低阻互连(2)金属和半导体形成低阻接触(3)与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好(4)对台阶的覆盖好(5)结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象(6)易刻蚀(7)制备工艺简单第九章 后端工艺11集成电路工艺原理第九章 后端工艺 BACKEND TECHNOLOGYBACKEND TECHNOLOGY 9.1 引言9.2 接触接触9.3 互连和通孔9.4 介质第九章 后端工艺12集成电路工艺原理接触接触Early structures were simple Al/Si contacts.早期结构是简单的AL/Si接触第九章 后端工艺13集成电路工艺原理为什么早期纯铝作为接触和互连线？为什么早期纯铝作为接触和互连线？电阻率低电阻率低和硅和氧化硅的黏附性好和硅和氧化硅的黏附性好和重掺杂硅有良好的电接触和重掺杂硅有良好的电接触在退火过程，对消除在退火过程，对消除SiSiO2界面陷阱有促进作用界面陷阱有促进作用第九章 后端工艺14集成电路工艺原理第九章 后端工艺15集成电路工艺原理特征电阻 Rc衡量欧姆接触质量的参数是特征电阻Rc 定义：零偏压下的电流密度对电压偏微商的倒数比接触电阻的单位 :欧姆.cm2接触电阻 R=Rc/S第九章 后端工艺16集成电路工艺原理 金属化层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触，也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂浓度及金半接触的势垒高度 Heavily doped N+SimetalOhmic ContactN-Si metalSchottkyContact第九章 后端工艺17集成电路工艺原理形成欧姆接触的方式形成欧姆接触的方式q低势垒欧姆接触 一般金属和P型半导体 的接触势垒较低q 高掺杂欧姆接触q高复合欧姆接触Al/N-Si势垒高度 0.7eV需高掺杂欧姆接触 Al/p-Si势垒高度 0.4eV晶体缺陷和杂质在半导体表面耗尽区起复合中心作用第九章 后端工艺18集成电路工艺原理铝和硅接触的问题铝和硅接触的问题-spiking 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，中扩散，形成孔洞形成孔洞,Al填充到孔洞填充到孔洞,引起短路，因此结深大于引起短路，因此结深大于23微米，是微米，是不能采用纯铝工艺不能采用纯铝工艺为了确保铝将为了确保铝将Si表明的自然氧化层还原和铝和硅良好的物理表明的自然氧化层还原和铝和硅良好的物理接触，要在接触，要在450度和氢气中进行退火。然而在此温度，硅在铝中度和氢气中进行退火。然而在此温度，硅在铝中的溶解度较大。的溶解度较大。第九章 后端工艺19集成电路工艺原理第九章 后端工艺20集成电路工艺原理解决解决spiking问题的方法问题的方法:广泛采用的方法是在广泛采用的方法是在Al中掺入中掺入1-2%Si以满足溶解性以满足溶解性,然而然而当冷却时当冷却时,会有硅的分凝并会增加会有硅的分凝并会增加 c 方法方法1：TiSi2/TiN结构结构较好的方法是采用阻挡层较好的方法是采用阻挡层,Ti 或或 TiSi2有好的接触和黏附性有好的接触和黏附性,TiN 可作为阻挡层可作为阻挡层第九章 后端工艺21集成电路工艺原理解决Al Spike的问题方法方法2 利用扩散阻挡层利用扩散阻挡层(Diffusion Barrier)常用扩散阻挡层：常用扩散阻挡层：TiN,TiW，stable up to 500C目前常用目前常用TiN淀积在淀积在Ti上的双层结构，上的双层结构，Ti和和Si形成形成TiSi2，接触好，而，接触好，而TiN电阻率小，但接触电阻率小，但接触电阻较大。电阻较大。第九章 后端工艺22集成电路工艺原理第九章 后端工艺23集成电路工艺原理第九章 后端工艺 BACKEND TECHNOLOGYBACKEND TECHNOLOGY 9.1 引言9.2 接触9.3 互连和通孔互连和通孔9.4 介质第九章 后端工艺24集成电路工艺原理互连材料的选择互连材料的选择1)导电率高2)容易与P型和n型形成低阻欧姆接触3)与SiO2等介质粘附性好4)易于制备成薄膜5)易刻蚀6)易键合第九章 后端工艺25集成电路工艺原理Al是主要的互连材料-low resistivity 低电阻率-adheres well to Si and SiO2 对硅和氧化硅黏附性好-can reduce other oxides 可还原成氧化物-can be etched and deposited using reasonable techniques 易于制备和刻蚀易于制备和刻蚀第九章 后端工艺26集成电路工艺原理纯Al金属化系统的不足：熔点较低和较软问题之一：需熔点较高的材料作为 栅电极(自对准工艺）和局部互连线掺杂多晶硅第九章 后端工艺27集成电路工艺原理问题之二：容易在Al中形成小丘和孔洞 由于Al中的应力和扩散造成Heating places Al under compressioncausing hillocks.Cooling back down can place Alunder tension voids.第九章 后端工艺28集成电路工艺原理Adding few%Cu stabilizes grain boundaries andminimizes hillock formation.解决方法：加入少量的Cu稳定晶界和减少小丘的形成第九章 后端工艺29集成电路工艺原理 当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移，这种现象称为金属电迁移 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，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 问题之三：大电流密度(0.1-0.5MA/cm2)下，有 显著的电迁移现象第九章 后端工艺30集成电路工艺原理铝的电迁移第九章 后端工艺31集成电路工艺原理金属化层因电迁移引起的平均失效时间MTF 式中 A 金属条横截面积(cm2)J 电流密度(A/cm2)金属离子激活能 (ev)k 玻尔兹曼常数 T 绝对温度 C 与金属条形状、结构有关的常数 第九章 后端工艺32集成电路工艺原理解决电迁移现象的方法 在在Al中加入中加入 Cu(0.5-4 weight%)可以消除电迁移可以消除电迁移 通常在通常在Al中加入中加入 1-2 wt%Si 和和0.5-4 wt%Cu.第九章 后端工艺33集成电路工艺原理进一步的发展是采用其他低电阻率材料作为局部互连，如采用TiN 和和 硅化物硅化物，silicides.图中硅化物TiSi2可用于；1.作为多晶硅栅上的连线2.作为和pn结的连线3.局部互连线第九章 后端工艺34集成电路工艺原理Spacer第九章 后端工艺35集成电路工艺原理Self-aligned silicide(“salicide”)process自对准硅化物工艺 Salicide第九章 后端工艺36集成电路工艺原理有多种硅化物应用于集成电路工艺中有多种硅化物应用于集成电路工艺中第九章 后端工艺37集成电路工艺原理Multilevel metal interconnects posed new challenges.多层金属互连问题面临新挑战早期集成电路是二层金属结构早期集成电路是二层金属结构(1970-1980)当金属互连层增加，不平整的形貌将会使当金属互连层增加，不平整的形貌将会使光刻、淀积和填充等成为严重问题光刻、淀积和填充等成为严重问题降低台阶高度，获得平坦形貌的工艺称平坦化工艺降低台阶高度，获得平坦形貌的工艺称平坦化工艺第九章 后端工艺38集成电路工艺原理Demonstration of Degree of Planarization平坦化平坦化程度定义程度定义平坦化是第一个问题平坦化是第一个问题如何解决下节讨论如何解决下节讨论第九章 后端工艺39集成电路工艺原理Al的电迁移仍然是个问题，解决方法：在Al的上、下，甚至中间加入分流金属层，如Ti,Ti-W,TiN和TiSi等。分流层在多层布线中机械性能好且它的黏附性好，也是好的阻挡层。电迁移是第二个问题电迁移是第二个问题第九章 后端工艺40集成电路工艺原理目前集成电路多层布线技术中采用了上述工艺第九章 后端工艺41集成电路工艺原理第九章 后端工艺 BACKEND TECHNOLOGYBACKEND TECHNOLOGY 9.1 引言9.2 接触9.3 互连和通孔9.4 介质介质第九章 后端工艺42集成电路工艺原理Dielectrics介质Dielectrics electrically and physically separateinterconnects from each other and from active regions.第九章 后端工艺43集成电路工艺原理Two types:-First level dielectric-Intermetal dielectric(IMD)第九章 后端工艺44集成电路工艺原理 First level dielectric is usually SiO2“doped”with P orB or both(2-8 wt.%)to enhance reflow properties.PSG:phosphosilicate glass,reflows at 950-1100C BPSG:borophosphosilicate glass,reflows at 800C.SEM image of BPSG oxide layer after 800C reflowstep,showing smooth topography over step.第九章 后端工艺45集成电路工艺原理Undoped SiO2 often used above and below PSG orBPSG to prevent corrosion of Al.第九章 后端工艺46集成电路工艺原理介质层（介质层（inter-metal dielectric）SiO2CVD（SiH4源源)、PECVD SiO2（TEOS），），SOG低介电常数材料必须满足诸多条件，例如：低介电常数材料必须满足诸多条件，例如：足够的机械强度以支撑多层连线的架构足够的机械强度以支撑多层连线的架构高杨氏系数高杨氏系数高击穿电压（高击穿电压（4 MV/cm）低漏电（低漏电（450 oC）良好的粘合强度良好的粘合强度低吸水性低吸水性低薄膜应力低薄膜应力高平坦化能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低热涨系数以及与化学机械抛光工艺的兼容性等等等等Low-k integration第九章 后端工艺47集成电路工艺原理low ka-C:H 第九章 后端工艺48集成电路工艺原理Low k polymer第九章 后端工艺49集成电路工艺原理