金属化和多层互连课件.ppt

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1、金属化与多层互连金属化及其要求Al在IC中的应用Cu及低K介质的应用多晶硅及金属硅化物多层布线技术金属化及其要求金属化:金属及其他导电材料在IC中的应用。金属材料的三大应用：（1）栅极材料——作为器件组成部分（2）接触材料——与半导体材料接触，半导体与外界的连接桥梁（3）互连材料——连接各器件，形成电路P型晶圓N型井區P型井區STIn+n+USGp+p+金屬1,Al•CuBPSGWP型磊晶層TiSi2TiN,ARCTi/TiN金属化对材料的要求(1)好的界面特性（粘附性、界面态等）(2)热、化学稳定性(3)电导率高(4)抗电迁移性强(5)接触电阻小(6)易加

2、工（沉积、刻蚀、键合）(7)多层间绝缘性好（扩散阻挡层）HighspeedHighreliabilityHighdensity欧姆接触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，主要取决于金属和半导体功函数的相对大小特征电阻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当金属与半导体之间的载流子输运以隧道穿透为主时，Rc与半导体的掺杂浓度N及金－半接触的势垒高度qVb有下面的关系qVb在数值上等于金属费米能级上的电子进入半导体所需的能量。结论：要获得低接

3、触电阻的金－半接触，必须减小金－半接触的势垒高度及提高半导体的掺杂浓度形成欧姆接触的方式低势垒欧姆接触：一般金属和P型半导体的接触势垒较低高复合欧姆接触高掺杂欧姆接触金属化材料AlCu高熔点金属（W、Mo、Ta、Ti等）多晶硅金属硅化物（WSi2、MoSi2、TiSi2等）此外，还要考虑介质材料，阻挡层，垫层等。Al在IC中的应用Al在IC中的应用最常用的连线金属第四佳的导电金属Ag1.6mWcmCu1.7mWcmAu2.2mWcmAl2.65mWcmAl与SiO2反应：4Al+3SiO22Al2O3+3Si反应可以改善Al/Si欧姆接触电阻；增强

4、Al引线与SiO2的黏附性。铝的基本资料Al金属化存在的问题：（1）大电流密度下，有显著的电迁移现象（2）高温下，Al和Si、SiO2会发生反应，产生“尖锲”现象。（1）电迁移Al为多晶材料，包含很多单晶态晶粒。大电流密度下，Al原子沿电流方向的定向迁移，多沿晶粒边界。电迁移造成短路或断路，造成器件失效，影响IC可信度。（1）电迁移平均失效时间MTF：50%互连线失效的时间式中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、结构有关的常数电迁移改善方法：（1）竹状结构：晶粒边界垂直于电流方向。

5、（2）Al-Cu，Al-Si-Cu合金：少量Cu的加入可以显著改善抗电迁移性能(3)三明治结构:两层铝膜之间夹一层过度金属层,400度退火1小时,在铝膜之间形成金属化合物。(2)Al的“尖锲”现象硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，形成腐蚀坑，Al相应进入Si中，形成“尖锲”。p+p+N型矽鋁鋁鋁SiO2实际上，硅在接触孔内并不是均匀消耗的，往往只是通过几个点消耗Si，因此这些地方的深度很大，Al在这里象尖钉一样锲入Si中，使pn结实效，实际深度往往可以超过1um。Al/Si接触的改善合金化：采用含少量Si的Al-Si合金（一般为1%）,由于合金中已存在足

6、量的Si，可以抑制底层Si的扩散，防止“尖锲”现象。在300oC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Al-Si界面形成一层很薄的Al-Si合金。Al通过Al-Si合金和接触孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触Al-Si系统一般合金温度为450－500oCAl/Si接触的改善Al-阻挡层结构：在Al与Si之间沉积一层薄阻挡层，限制Al“尖锲”现象。希望阻挡层与Si有好的黏附性和低的欧姆接触电阻，可以采用硅化物，如PtSi、Pd2Si或CoSi2，也可采用Ti、TiN、TaN和WN等。铜及低K介质金属化及多层布线的发展：电路特征尺寸不断缩

7、小芯片引线数急剧增加芯片内部连线长度迅速上升金属布线层数不断增加互连引线的延迟时间增加铜及低K介质Intel奔腾IIIMerced（1999）6层金属互连，0.18µm工艺，集成晶体管数2500万个，连线总长度达5km估计0.07µm工艺，一个微处理器需10层金属互连，连线总长度达10km铜及低K介质RC常数：互连引线的延迟时间以RC常数来表征。其中，l为引线长度，w为引线宽度，tm为引线厚度，tox为介质层厚度。从中可以看出，采用低电阻率的互连材料和低介电常数的介质材料可以有效降低互连系统的延迟时间。铜及低K介质铜及低K介质的优势：铜的电阻率低，可以极大降

8、低互连引线电阻；Cu1.7mWcmAl2.65mW