硅集成电路工艺——金属化与多层互连ppt课件.ppt
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,2,3,大规模集成电路与多层互连工艺,4,5,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,天津工业大学,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,天津工业大学,IC中的金属,天津工业大学,IC中的金属,天津工业大学,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,天津工业大学,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,天津工业大学,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，2.7ucm与n+和p+硅或多晶硅的欧姆接触电阻低，106/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）,天津工业大学,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+4Al 3Si+2Al2O3 消耗掉表面氧化膜，增加黏附性,天津工业大学,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,天津工业大学,Al/Si接触的改进,Al-Si合金金属化引线（铝中加入1%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）,天津工业大学,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。,天津工业大学,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,天津工业大学,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)2H LPCVD表面有化学反应更好的台阶覆盖和填缝性能（50100）淀积薄膜纯度较差，电导率较低不容易淀积合金,天津工业大学,9.3 铜在IC中的应用,Cu作为互连材料的优点：更低的电阻率：1.7ucm，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,天津工业大学,互连引线的延迟时间：RC常数：R=(l)/(tm)C=(l)/tox RC=(l2)/(tm tox),Cu作为互连材料的工艺流程：Dual Damascene 双大马士革工艺,天津工业大学,双大马士革（Dual Damascene）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,天津工业大学,双大马士革（Dual Damascene）工艺流程,天津工业大学,电镀铜（Electrochemical Plating，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,天津工业大学,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，还可以作为粘附层，提高钨与SiO2的粘附能力；TiN可作为抗反射涂层（ARC），减少金属层在光刻工艺中的对光的反射。,天津工业大学,天津工业大学,W（Tungsten）钨一般采用WF6作为反应剂，用CVD的方法制备作为填充接触孔和通孔的钨塞（plug）接触孔越来越小且窄，需要更强的填充能力PVD Al：台阶覆盖差，形成空洞CVD W：优异的台阶覆盖及填缝能力电阻率较高（1.7ucm），只能用于局部互连及填孔,天津工业大学,天津工业大学,天津工业大学,9.4 多晶硅及硅化物,多晶硅作为栅极材料的优点：能承受高温工艺，能实现源漏自对准工艺可方便调节功函数，降低开启电压,多晶硅作为互连材料的局限：过高的电阻率，只适合局部互连,天津工业大学,金属硅化物的特点和制备方法,难熔金属硅化物的特点：低的、类金属的电阻率高温稳定性好抗电迁移能力强与硅衬底接触电阻小，附着性好（TiSi2,WSi2,CoSi2）主要作为接触材料，也可作为栅极和互连材料,硅化物的淀积方法：共溅射方法共蒸发方法溅射或蒸发单层难熔金属于多晶硅衬底上再退火，发生反应生成硅化物合金靶溅射CVD淀积硅化物,天津工业大学,自对准TiSi2工艺,去除表面自然氧化物，淀积金属Ti或Co退火，Ti与硅发生反应生成TiSi2湿法刻蚀去掉未反应的Ti,天津工业大学,9.5 大规模集成电路与多层互连,多层金属互连对ULSI的意义：可大大提高ULSI的集成密度，进一步提高集成度可降低互连引线导致的延迟时间，原因有五点：RC=(l2)/(tm tox),天津工业大学,多层互连工艺流程,多层互连的基本结构:金属层PMDIMD接触孔(contacts)通孔(Via),天津工业大学,多层互连工艺流程,天津工业大学,多层互连工艺流程,刻蚀接触孔（Contact）,淀积钨,天津工业大学,形成钨塞及淀积铝,刻蚀铝,天津工业大学,层间介质（IMD）淀积,刻蚀通孔（Via）,天津工业大学,形成第二层钨塞及淀积铝,刻蚀铝,天津工业大学,淀积IMD2,刻蚀Via2,天津工业大学,淀积Metal3,淀积IMD3,天津工业大学,天津工业大学,非平坦表面的形成,淀积介质后,热回流之后,天津工业大学,不同处理方法之后的表面,天津工业大学,非平坦表面的影响,天津工业大学,化学机械抛光（CMP）工艺,主要用于多层金属互连工艺化学腐蚀和机械磨蚀共同作用平坦化介质层曝光需要在平坦的表面来进行以提高分辨率粗糙的表面在金属化工艺中会影响金属层的质量也用来对某些金属进行去除（钨等）,天津工业大学,CMOS IC中的CMP应用,天津工业大学,CMP工艺设备,抛光液,抛光盘,抛光头,天津工业大学,抛光过程,天津工业大学,抛光盘,多孔的柔韧的聚合物基体抛光盘直接影响抛光质量粗磨盘有更高的抛光速率但是易造成划伤细磨盘能得到更光滑的表面抛光盘能吸收抛光液从而改变其机械特性抛光盘不断在磨蚀，因此需定期更换,粗磨盘,细磨盘,天津工业大学,抛光头,天津工业大学,抛光液,CMP抛光液的作用类似于牙膏其中的化学成分对硅片表面进行腐蚀，生成容易被磨去的化合物其中的研磨颗粒对硅片表面进行机械研磨，去除表面材料（10固体含量）对于不同的材料需采用不同的抛光液 CMP氧化物：碱性溶液SiO2 CMP金属：酸性溶液Ai2O3,天津工业大学,小结,掌握IC中金属性材料的分类和作用掌握铝在IC中的应用（优、缺点）掌握铜在IC中的应用（优、缺点，双大马士革工艺）了解Ti，W等金属在IC中的应用了解多晶硅的作用及其优势掌握金属硅化物在IC中的应用（自对准硅化物工艺）理解ULSI中采用多层互连工艺的意义了解多层互连工艺流程（流程图、基本结构）了解IC中的CMP平坦化工艺,天津工业大学,
