集成电路工艺基础——09金属化与多层互连.ppt

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1、Chap9金属化与多层互连金属化金属及金属性材料在集成电路技术中的应用金属化的作用将有源元件按设计的要求联结起来形成一个完整的电路和系统提供与外电源相连接的接点互连和金属化不仅占去了相当的芯片面积，而且往往是限制电路速度的主要矛盾之所在。金属材料的应用金属材料的用途及要求：栅电极与栅氧化层之间有良好的界面特性和稳定性合适的功函数，满足NMOS和PMOS阈值电压对称的要求多晶硅的优点可以通过改变掺杂的类型和浓度来调节功函数与栅氧化层有很好的界面特性多晶硅栅工艺具有源漏自对准的特点金属材料的应用金属材料的用途及要求：互连材

2、料电阻率小易于淀积和刻蚀好的抗电迁移特性AlCu金属材料的应用金属材料的用途及要求：接触材料良好的金属/半导体接触特性（好的界面性和稳定性，接触电阻小，在半导体材料中的扩散系数小）后续加工工序中的稳定性；保证器件不失效Al硅化物（PtSi、CoSi）集成电路对金属化材料特性的要求基本要求：1低阻的欧姆接触，低阻的互连引线2抗电迁移性能好3附着性好4耐腐蚀5易淀积和刻蚀6易键合7互连层绝缘性好，层间不发生互相渗透和扩散，要求有一个扩散阻挡层。集成电路对金属化材料特性的要求晶格结构和外延生长的影响薄膜的晶格结构决定其特性电

3、学特性电阻率、TCR、功函数、肖特基势垒高度等机械特性、热力学特性以及化学特性铝在集成电路中的应用Al的优点：电阻率低与n+,p+硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触与硅和BPSG有良好的附着性易于淀积和刻蚀故成为最常用互连金属材料金属铝膜的制备方法（PVD）真空蒸发法（电子束蒸发）利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源使之蒸发淀积在硅片表面溅射法射频、磁控溅射污染小，淀积速率快，均匀性，台阶覆盖性好Al/Si接触中的现象铝硅互溶Al与SiO2的反应铝硅互溶铝硅相图相图表示两种组分与温度的关系Al-Si系具有低共熔特性Al-S

4、i系的共熔温度为577℃，相应的组分配比为Si占11.3%，Al占88.7%淀积Al时Si衬底的温度不得高于577℃插图表示Si在Al中的固熔度400℃时，Si在Al中的固熔度为0.25%（重量比）Al在Si中的溶解度低，Si在Al中的溶解度较高。故退火时，有相当可观的Si原子会溶到Al中Si在Al中的扩散系数在一定的退火温度下，退火时间为ta时，Si原子的扩散距离为其中D为扩散系数铝硅互溶Al与SiO2的反应Al与SiO2的反应4Al+3SiO2→3Si+2Al2O3吃掉Si表面的SiO2，降低接触电阻改善Al引线与

5、下面SiO2的黏附性Al/Si接触中的尖楔现象Al/Si接触中的尖楔现象Al/Si接触中的尖楔现象Si溶解与Al中，消耗的Si体积为：假定Si在接触孔面积A内是均匀消耗的，则消耗掉的Si层的厚度为：影响尖楔因素Al-Si界面的氧化层的厚度薄氧(尖楔较浅）厚氧(尖楔较深）衬底晶向〈111〉：横向扩展、双极集成电路〈100〉：垂直扩展、pn结短路、MOS集成电路（尖楔现象严重）Al/Si接触的改进Al/Si接触的改进方法：铝-硅合金金属化引线铝-掺杂多晶硅双层金属化结构铝-阻挡层结构铝-硅合金金属化引线-第1种解决方案用A

6、l-Si合金代替纯铝作为接触和互连材料。可消弱尖楔问题，却引起新的问题硅的分凝问题——在较高合金退火温度下溶解在Al中的Si，在冷却过程中又从Al中析出。未溶解的硅形成一个个硅单晶节瘤欧姆接触电阻变大，引线键合困难双层金属化-第2种解决方案铝-重掺杂多晶硅（P,As）在淀积铝膜前一般先淀积一层重P（As）掺杂多晶硅提供溶解于铝中所需的硅原子，从而抑制了尖楔现象铝-掺杂多晶硅双层金属化结构成功应用于nMOS工艺中。铝-阻挡层结构-第3种解决方案可在铝、硅之间淀积一层薄金属层，代替重磷掺杂多晶硅，称该薄金属层为阻挡层。一般

7、用硅化物代替金属，因为硅化物可以和硅表面的氧化层发生反应，从而与硅有很好的附着作用和低的欧姆接触电阻。电迁移现象在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就是电迁移(EM)。本质是导体原子与通过该导体的电子流互相作用，对于铝就是铝原子沿着晶粒间界的扩散。结果：一个方向形成空洞，使互连引线开路或断开。另一个方向则由于铝原子的堆积而形成小丘，造成光刻困难以及多层布线之间的短路。中值失效时间表征电迁移现象的物理量是互连引线的中值失效时间MTF（MedianTimetoFailure），

8、即50%互连引线失效的时间。改进电迁移的方法-第1种方法结构的选择采用竹状结构的铝引线，组成多晶硅的晶粒从下而上贯穿引线截面，晶粒间界垂直电流方向，所以晶粒间界的扩散不起作用，铝原子在铝薄膜中的扩散系数和单晶体相似，从而可使MTF值提高二个数量级。改进电迁移的方法-第2种方法铝-铜合金和铝-硅-铜合金Al-Si（1%~2%）-Cu