硅集成电路工艺——金属化与多层互连ppt课件.ppt

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1、Chap.9金属化与多层互连IC中金属的作用及分类1铝在集成电路技术中的应用23大规模集成电路与多层互连工艺45铜及其他金属在IC中的应用多晶硅及硅化物在IC中的应用IC中金属的分类IC中的金属MOSFET栅电极材料（重掺杂多晶硅）互连材料（常用金属及金属合金）接触材料（金属硅化物）金属化：金属及金属性材料在集成电路技术中的应用IC中的金属IC中的金属§9.1集成电路对金属化材料的要求与n+，p+硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触，能提供低阻互连引线，以提高电路速度长时期在较高电流密度负荷下，抗电迁移能力要好与绝缘体有良好的附着性耐腐蚀易于淀积和刻蚀易于键合，且键合点能经受

2、长期工作多层互连要求层间绝缘性要好，不互相渗透和扩散晶格结构和外延生长特性的影响一般为单晶或多晶晶格常数失配因子决定着接触特性外延生长可有效减少缺陷，得到接触良好的异质外延金属薄膜电学特性电阻率电阻温度系数功函数与半导体接触的肖特基势垒高度机械、热力学以及化学反应特性固有应力和热应力扩散稳定性§9.2铝在IC中的应用铝作为互连金属材料的优点：应用最广泛的互联材料电阻率低，2.7uΩ•cm与n+和p+硅或多晶硅的欧姆接触电阻低，10－6Ω/cm2与硅和磷硅玻璃的附着性很好易于淀积和刻蚀铝作为互连金属材料的缺点：Al/Si接触的尖楔现象在较大的电流密度下的电迁移现象金属铝膜

3、的制备方法真空蒸发法（电阻加热、电子束加热）溅射法（台阶覆盖性能好）CVD法（填缝能力强）Al/Si接触中的几个物理现象Al-Si相图：Al在Si中的溶解度非常低，而Si在Al中的溶解度却比较高，因而硅会向铝中迁移Si在Al中的扩散系数：Si在Al膜内的扩散系数远大于在晶体铝内的扩散系数，扩散距离远，单位面积消耗大Al与SiO2的反应：3SiO2+4Al3Si+2Al2O3消耗掉表面氧化膜，增加黏附性Al/Si接触中的尖楔现象Al/Si接触中的尖楔现象硅向铝中扩散，同时铝也向硅中扩散，形成尖楔，可能会造成pn结失效Al/Si接触的改进Al-Si合金金属化引线（铝中加入1

4、%~4%的硅，同时存在硅的分凝问题）铝－掺杂多晶硅双层金属化结构（多晶硅提供溶解于铝中而消耗的硅）铝－阻挡层结构（PtSi,CoSi作为欧姆接触层，TiN,TaN作为阻挡层）减小铝的体积（Al/阻挡层/Al-Si-Cu三层夹心结构）降低硅在铝中的扩散系数（铝中掺氧或Al2O3）电迁移现象及其改进方法电迁移现象的物理机制：大电流密度通过导体时，导体原子将收到导电电子的碰撞，从而导致导体原子沿电子流的方向迁移。结果在一个方向上形成空洞，而在另一个方向则由于铝原子的堆积而形成小丘，从而会造成断路和短路失效现象。改进电迁移的方法结构的影响和竹状结构的选择（使铝的晶粒间界方向垂直

5、于电流方向）Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金（杂质在铝的晶粒间界的分凝可降低铝的迁移）三层夹心结构（中间加入过渡金属层，形成金属化合物，阻挡铝的扩散）中值失效时间（MTF）与电流密度平方成反比，与温度倒数成指数关系；与横截面积成正比，与激活能成指数关系铝的制备方法PVD：溅射、蒸发表面无化学反应较差的台阶覆盖和填缝性能（～15％）高质量，高纯度的淀积薄膜，电导率较高容易淀积合金CVD：Al(CH3)2HLPCVD表面有化学反应更好的台阶覆盖和填缝性能（50％～100％）淀积薄膜纯度较差，电导率较低不容易淀积合金§9.3铜在IC中的应用Cu作为互连材料的优点：更低的电

6、阻率：1.7uΩ•cm，减小引线的宽度和厚度，减小分布电容，降低了功耗并提高集成电路的密度降低了互连引线的延迟，提高器件速度抗电迁移性能好，可靠性高没有尖楔现象Cu作为互连材料的缺点：缺乏有效的刻蚀金属铜的手段铜在硅和二氧化硅中的扩散系数大，容易造成金属污染铜与二氧化硅的黏附性较差互连引线的延迟时间：RC常数：R=(ρl)/(ωtm)C=(εωl)/toxRC=(ρεl2)/(tmtox)Cu作为互连材料的工艺流程：——DualDamascene双大马士革工艺双大马士革（DualDamascene）工艺流程预清洗刻蚀沟槽或通孔PVD淀积阻挡层（Ta或者TaN）PVD或者

7、CVD淀积铜籽晶层电化学镀制备铜体相层，填满通孔或沟槽热退火提高电导率CMP去除沟槽或通孔之外的铜双大马士革（DualDamascene）工艺流程电镀铜（ElectrochemicalPlating，ECP）电镀过程中铜离子对已淀积铜表面的轰击，形成一种淀积/刻蚀/淀积的过程，提高其台阶覆盖和沟槽填充能力其他IC中常用的金属Ti（Titanium）钛Ti作为接触层，能有效去除氧，避免形成铝或钨的氧化物，降低接触电阻；TiSi2作为最常用的接触材料，常采用Ti的硅化物自对准工艺；TiN能作为扩散阻挡层，有效防止铝或钨向衬底扩散，还可以作为粘