金属化与多层互连(2)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,201,3,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,Cu,CMOS,标准金属化,互连：,Al-Cu,合金,接触孔与通孔：金属,W,（,Ti/TiN/W,）,Ti/TiN,：焊接层、阻挡层、防反射层,电极材料：金属硅化物，如,TiSi2,9.1,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,常用金属材料：,Al,、,Cu,、,Pt,、,Au,、,W,、,Mo,等,常用的金属性材料：,1,）掺杂的,poly-Si,；,2,）金属硅化物,-PtSi,、,CoSi,2,、,WSi,2,、,TiSi,2,；,3,）金属合金,-AlSi,、,AuCu,、,CuPt,、,TiB,2,、,SiGe,、,ZrB,2,、,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,TiSi,2, WSi,2,和,CoSi,2,9.2,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,-cm,1970s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,SiO,2,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:,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,CVD,W,原料：,WF,6,先与,SiH,4,反应形成,W,淀积的核层,:,2WF,6,(g),+3SiH,4,2W(s)+3SiF,4,(g)+6H,2,再与,H,2,反应淀积,W: WF,6,(g),+3H,2,W(s)+6HF(g),需要,TiN/Ti,层与氧化物黏附,W Plug and TiN/Ti Barrier/Adhesion Layer,6,、铜,Low resistivity (1.7,mW,cm),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 volatility,9.2,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 1.7,/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,SiO,2,反应：,3SiO,2,+4Al3Si+2Al,2,O,3,好处：降低,Al/Si,欧姆接触电阻；,改善,Al,与,SiO,2,的粘附性。,9.3 Al,的性质及现象,9.2.3 Al/Si,接触的尖楔现象,图9.3 Al-Si接触引线工艺,T=500，t=30min.，,A=16,m,2,，,W=5m,，,d=1,m,，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,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；,深度：,超过1,m,；,特点：,衬底：横向扩展, 衬底：纵向扩展,MOS器件突出。,改善：,Al中加1wt-4wt的过量Si,9.2.3 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：,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：,Cu,9.3 Al,的性质及现象,9.4 Cu,及低,K,介质,9.4.1,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,9.4.2 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，,-介质层介电常数,低,的互连线：Cu，,=1.72,cm,；,（Al，,=2.82,cm,）,低,K,（,）的介质材料：,3.5,9.4.3 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,主要问题：缺乏刻蚀,Cu,的合适的传统工艺。,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,多晶硅：CMOS多晶硅栅、局域互连线；,9.5.1 多晶硅栅技术,特点：源、漏自对准,CMOS工艺流程（图9.12）,多晶硅栅取代Al栅： p沟道MOS器件的V,T,降低1.2-1.4V,（通过降低,MS,）；,V,T,降低提高了器件性能：,工作频率提高；功耗降低；集成度提高；,多晶硅栅的优点：实现自对准的源漏；降低V,T,互连延迟时间常数:,RC=RL,2,ox,/t,ox,R,、 l-,-互连线方块电阻和长度，,ox,、t,ox,-介质层的介电常数和厚度；,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,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,台阶的存在：如，,引线孔、通孔边缘；,影响：薄膜的覆盖效果；,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,CMP,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：,SiO,2,CMP,的基本机理：,金属被氧化，形成氧化物；,SiO,2,磨掉氧化物。,9.6.3 CMP,工艺,9.6 VLSI,与多层互连,9.6.4 CMOS IC,的多层互连,1,）,PECVD Nitride,9.6.4 CMOS IC,的多层互连,2,）,PECVD USG,3,）,PECVD Etch Stop Nitride,4,）,PECVD USG,5,）,Photoresist Coating,9.6.4 CMOS IC,的多层互连,Via 1 Mask,6,）,Via 1 Mask Exposure and Development,7,）,Etch USG, Stop on Nitride,9.6.4 CMOS IC,的多层互连,8,）,Strip Photoresist,9,）,Photoresist Coating,Metal 1 Mask,10,）,Metal 1 Mask Exposure and Development,9.6.4 CMOS IC,的多层互连,11,）,Etch USG and Nitride,12,）,Strip Photoresist,13,）,Deposit Tantalum Barrier Layer,14,）,Deposit Copper,9.6.4 CMOS IC,的多层互连,15,）,CMP Copper and Tantalum,16,）,PECVD Seal Nitride,