金属化与平坦化PPT课件.ppt

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1、金属化与平坦化概述金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金属线连接起来构成具有各种功能的集成电路的工艺。是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程。2互连金属3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欧姆接触(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HighspeedHighreliabilityHighdensity7Earlystructuresweresi

2、mpleAl/Sicontacts.早期结构是简单的AL/Si接触为了将半导体器件与外部有效地联系起来，必须首先在半导体和互连线之间制作接触。8金属层和硅衬底形成什么接触？9金属层和硅衬底的接触，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HeavilydopedN+SimetalOhmicContactN-SimetalSchottkyContact金属/半导体的两种接触类型：欧姆接触：具有线性和对称的V-I特性，且接触电阻很小；肖特基接触：相当于理想的二极管；1011形成欧姆

3、接触的方式高复合欧姆接触高掺杂欧姆接触Al/N-Si势垒高度0.7eV需高掺杂欧姆接触半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质在半导体表面耗尽区中起复合中心作用低势垒欧姆接触一般金属和P型半导体的接触势垒较低Al/p-Si势垒高度0.4eV12常用的金属化材料1.Al是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。电阻率较低（20℃时具有2.65µΩ-cm）；工艺简单；易形成低阻欧姆接触。13铝互连14金属和硅接触的问题---硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下空洞,Al填充到空洞,引起短路1.尖峰现象"spiking"

4、problems15解决spiking问题的方法一种方法是在Al中掺入1-2%Si以满足溶解性另一种方法是利用扩散阻挡层(DiffusionBarrier)常用扩散阻挡层：TiN,TiW较好的方法是采用阻挡层,Ti或TiSi2有好的接触和黏附性,TiN可作为阻挡层162.铝的电迁移•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•后果：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17解决方

5、法：采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜2～4％）合金。铜原子在多晶状Al的晶粒边界处分凝，阻止Al原子沿晶粒边界的运动。优化版图设计，降低电流密度。183.Al与二氧化硅的反应4Al+3SiO22Al2O3+3Si会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间的短路失效。19合金化合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金铝铝铜合金铜硅化物金属填充塞阻挡层金属20硅和硅片制造业中所选择的金属(at20°C)21由于铝的低电

6、阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒，在金属表面金属原子堆起来形成小丘（如图所示）如果大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在一起。当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会被显著的改善。Al-Si-Cu(0.5%)合金是最常使用的连线金属铝铜合金22由于ULSI组件密度的增加，互连电阻和寄生电容也会随之增加，从而降低了信号的传播速度。减小互连电阻可通过用铜取代铝作为基本的导电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要低K值层间介质（

7、ILD）。通过降低介电常数来减少寄生电容。23IC互连金属化引入铜的优点1.电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小可以减少信号的延迟，增加芯片速度。2.功耗的减少：减小了电阻，降低了功耗。3.更高的集成密度：更窄的线宽，允许更高密度的电路集成，这意味着需要更少的金属层。4.良好的抗电迁移性能：铜不需要考虑电迁徒问题。5.更少的工艺步骤：用大马士革方法处理铜具有减少工艺步骤20％to30%的潜力。24对铜的挑战与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互连主要涉及三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝技术，在铜应用与IC互连之前必须解决

8、：1.铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有源区，将会损坏器件。2.应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图形。干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产生挥发性的副产物，而这对于经济的干法刻蚀是必不可少的。3.低温下（＜200℃）空气中，铜很快被氧化，而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。25阻挡层金属