第九章金属化工艺课件.ppt
第九章 金属化工艺接触与互连,(1) 欧姆接触：具有线性和对称的V-I特性，且接触电阻很小；,一、基本概念,1、金属化,将晶片上制成的各种元器件用互连薄膜材料（通常为金属）的线条连接起来构成具有各种功能的集成电路的工艺。,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。,2、金属/半导体的两种接触类型：,(2) 肖特基接触：相当于理想的二极管；,金属的功函数 m电子亲和势 Xs, 肖特基势垒高度：,B=mXs, 耗尽层宽度,金属化工艺要求形成低阻欧姆接触,二.形成欧姆接触的方法, 低势垒欧姆接触 高复合欧姆接触 高掺杂欧姆接触,1、低势垒欧姆接触, 如果金属的功函数m小于n型半导体的功函数s ， 或 金属的功函数m大于p型半导体的功函数s 。 欧姆接触。, 由于界面处存在表面态，使半导体表面产生一个耗尽 层，仍然有整流特性。, 只要势垒高度低于0.3eV以下，可近似看作欧姆接触。 （铂与p型硅, 0.2eV）,说明,2、高复合欧姆接触, 预先对半导体表面进行研磨或喷沙处理， 产生大量缺陷；或者掺入高复合中心杂 质，形成高复合欧姆接触。,3、高掺杂欧姆接触, 在半导体表面形成高掺杂层，金半接触时，可形 成极薄的耗尽区，载流子浓度大于1019 /cm3时，耗尽 区宽度小于10nm。除热电子发射外，载流子能隧道穿 透方式通过势垒，形成低阻且对称的VI特性。,ND 衬底掺杂浓度,测量接触电阻用样品图形,4、欧姆接触的检测,金半：R，扩散方块：Rs, A、B：R1， B、C：R2,如,时，则接触电阻为,三、集成电路对互连金属的基本要求, 有良好的导电性； 容易与N型、P型硅形成低阻欧姆接触； 与硅和二氧化硅等有良好的粘附性； 易于淀积和刻蚀，便于键合； 性能稳定可靠； 互连线对台阶的覆盖率要好。,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；工艺简单；易形成低阻欧姆接触。,1）优点：,2) 铝互连线存在的问题,A、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。, 后果：,在阳极端堆积形成金属小丘或晶须，造成电极间短路； 在阴极端形成空洞，导致电极开路。 电流密度大于105A/cm2,温度高于150C时,Al的电迁移现象比较严重, 解决方法：,采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.22，铜24）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。,B、应力引起的空洞效应,C、铝对硅和二氧化硅的作用,硅在Al中有较大的固溶度和较快的扩散速率.,温度升高时，接触孔中铝硅互溶，铝向硅的深部运动，最后穿通附近的结而造成短路。特别是浅结器件中。,铝在高温下能与SiO2发生如下反应：,会使铝穿透下面的二氧化硅绝缘层，导致电极间短路。,解决方法, 采用AlSi合金（硅1.22)。, 为了制作极浅结（小于0.2微米）的欧姆接触，通常采用 接触层阻挡层导电层的多层金属化系统。,阻挡层要求：, 在典型的热处理温度下，Al和硅在阻挡层金属中的扩散 速率必须很小，阻挡层金属的导电性好，而且与硅和互 联金属之间的粘附性好。, 阻挡层金属早期使用TiW,现在使用得更广泛的是难熔金属 氮化物，如TiN，TaN和WN等。,接触层要求：,性质稳定，电阻率低，如PtSi、TiSi2。,D、引线爬台阶问题, 在氧化层台阶的侧壁，特别在接触窗口周围的台阶侧壁， 蒸发淀积的Al膜往往很薄，在电路工作时很容易造成互连 线的断裂失效。, 解决办法：,引入回流工艺，加厚Al层等。,3) 合金化处理, 需在400450C的N2-H2气 氛中进行热处理，在接触 孔处使Al互连线和Si形成 低阻欧姆接触。, 合金化的关键是合金温度 和合金时间的控制。,对于浅结器件，合金温度应低一些，恒温时间可长一些。,2、重掺杂多晶硅,用重掺杂多晶硅代替金属Al作为MOS器件的栅极材料并形成互连，可与Al金属层一起形成一种双层布线结构。电阻率较高，只用于局部互连。,3、难熔金属硅化物,Ti, Mo, W, Ta等及其硅化物。采用“难熔金属硅化物/多晶硅”复合栅和互连结构，直接在多晶硅上淀积难熔金属，加热形成硅化物。工艺与现有硅栅工艺相容，已被广泛应用于VLSI中。,四、多层金属布线,多层金属布线是高集成度发展的必然趋势。, 首先形成基本单元布线，然后为单元之间电路布线。 各层之间用介质隔离。, 接触孔 金属与器件各级的连接部分, 通孔 用于连接各层金属, 关键技术 层间介质层的平坦化 不同层间的互连（插塞）,1、平坦化工艺, 将随硅片表面起伏的介 质层平坦化。, CMP（化学机械抛光） 是一种可以提供整个硅 片表面平坦化的技术。,2、钨插塞多层金属布线工艺, 钨通常作为插塞材料，熔点高，导电性能较好，且用 CVD法制作的钨的阶梯覆盖能力强。,制作好层间介质层并平坦 化后，刻出通孔。 CVD淀积钨,CMP 抛光，露出塞在通孔中 的钨。 制作第二层金属。, 技术的流程：, 互连延迟 严重影响 电路的速 度 采用Cu代 替Al,Cu 互连,双镶嵌工艺，同时实现互连线与通孔填充,Al作为一种重要的接触与互连材料有何优缺点？,作 业,
