金属化与多层互连
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金属化和多层互连
TiSi2 和 CoSi2的自对准工艺：
• 溅射剥离从衬底表面去除原生氧化层 • Ti 或 Co 沉积 • 退火形成金属硅化物 • Ti 或 Co 不与SiO2反应,金属硅化物在硅和Ti 或Co接
触处形成 • 去除Ti 或 Co • 选择性再次退火以增强电导率
多晶硅/硅化物复合栅结构
TiSi 2
多晶硅栅极
从中可以看出，采用低电阻率的互连材料和 低介电常数的介质材料可以有效降低互连系统的 延迟时间。
铜及低K介质
铜及低K介质的优势：
铜的电阻率低，可以极大降低互连引线电阻；
Cu
1.7 mWcm
Al
2.65 mWcm
铜的抗电迁移能力强，没有应力迁移，可靠性强； 低K介质，减少了分布电容；
所以，采用铜及低K介质可以进一步减小引线宽度和 厚度，提高集成电路的密度。
铜及低K介质
Cu互连工艺中的关键技术： Cu的沉积技术 低K介质材料的选择和沉积 势垒层材料的选择和沉积技术 Cu的CMP平整化技术 大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺 可靠性问题
深亚微米技术的发展：
90nm、45nm线宽 300mm（12寸）晶圆
铜及低K介质
系统集成（SOC）
nn+
ＳiＯ２
nn+
退火产生金属硅化物
nn+
ＳiＯ２
nn+
湿法腐蚀Ｔi薄膜
自对准栅技术加离子注入可以大幅减小掺杂横向 效应引起的覆盖电容，提高工作频率。
多晶硅栅取代Ａl栅，由于栅与衬底Si的功函数差 减少，可以使PMOS的开启电压VT绝对值下降1.21.4V左右。
开启电压VTX降低后，器件充放电幅度降低，时间 缩短，从而也可提高工作频率。
• 溅射剥离从衬底表面去除原生氧化层 • Ti 或 Co 沉积 • 退火形成金属硅化物 • Ti 或 Co 不与SiO2反应,金属硅化物在硅和Ti 或Co接
触处形成 • 去除Ti 或 Co • 选择性再次退火以增强电导率
多晶硅/硅化物复合栅结构
TiSi 2
多晶硅栅极
从中可以看出，采用低电阻率的互连材料和 低介电常数的介质材料可以有效降低互连系统的 延迟时间。
铜及低K介质
铜及低K介质的优势：
铜的电阻率低，可以极大降低互连引线电阻；
Cu
1.7 mWcm
Al
2.65 mWcm
铜的抗电迁移能力强，没有应力迁移，可靠性强； 低K介质，减少了分布电容；
所以，采用铜及低K介质可以进一步减小引线宽度和 厚度，提高集成电路的密度。
铜及低K介质
Cu互连工艺中的关键技术： Cu的沉积技术 低K介质材料的选择和沉积 势垒层材料的选择和沉积技术 Cu的CMP平整化技术 大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺 可靠性问题
深亚微米技术的发展：
90nm、45nm线宽 300mm（12寸）晶圆
铜及低K介质
系统集成（SOC）
nn+
ＳiＯ２
nn+
退火产生金属硅化物
nn+
ＳiＯ２
nn+
湿法腐蚀Ｔi薄膜
自对准栅技术加离子注入可以大幅减小掺杂横向 效应引起的覆盖电容，提高工作频率。
多晶硅栅取代Ａl栅，由于栅与衬底Si的功函数差 减少，可以使PMOS的开启电压VT绝对值下降1.21.4V左右。
开启电压VTX降低后，器件充放电幅度降低，时间 缩短，从而也可提高工作频率。
金属化和多层互连
当金属与半导体之间的载流子输运以隧道 穿透为主时，Rc与半导体的掺杂浓度N及 金－半接触的势垒高度qVb 有下面的关系
qVb Rc exp N
qVb在数值上等于金属费米能级上的电子 进入半导体所需的能量。 结论：要获得低接触电阻的金－半接触， 必须减小金－半接触的势垒高度及提高半 导体的掺杂浓度
CoSi2
Ta 或 TaN Cu
W
W
PSG STI n+
+ + n+ p p USG P型井區 N型井區 P型磊晶層 P型晶圓
铜及低K介质
低K介质材料的沉积与刻蚀： 沉积工艺： （1）旋涂工艺：工艺简单，缺陷密度较低，产率高，易于 平整化，不使用危险气体 （2）CVD工艺：与IC工艺兼容性好 刻蚀要求： （1）工艺兼容性好 （2）对刻蚀停止层材料选择性高 （3）能形成垂直图形 （4）对Cu无刻蚀和腐蚀 （5）刻蚀的残留物易于清除
鋁
p+ N型矽
SiO2
鋁
p+
鋁
Al/Si接触的改善
合 金 化 ： 采 用 含 少 量 Si 的 Al-Si 合 金 （ 一 般 为 1% ） , 由于合金中已存在足量的 Si ，可以抑制底 层Si的扩散，防止“尖锲”现象。 在 300oC 以上，硅就以一定比例熔于铝中， 在此温度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成 一层很薄的 Al-Si 合金。 Al 通过 Al-Si 合金和接触 孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触
铜及低K介质
势垒层材料: 包括介质势垒层和导电势垒层 介质势垒层材料：ＳiＮ、ＳiＣ等新材料 主要功能:和介质层形成多层结构，防止介质 在工艺过程或环境中吸潮而影响性能。 导电势垒层：ＷＮ、ＴiＮ、Ｔa、ＴaＮ等 主要功能：防止Ｃu扩散、改善Ｃu的附着性、 作为ＣＭＰ和刻蚀停止层、作为保护层。
集成电路工艺基础——09_金属化及多层互连
▪ 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
铝硅互溶
❖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
LSi Dta
其中D为扩散系数
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引线与下面SiO2 的黏附性
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（4%） • 杂质在铝晶粒晶界分凝，可以降低铝原子在 铝晶界的扩散系数，从而使MTF提高一个数 量级。 ▪ 缺点:
• 增大了电阻率 • 不易刻蚀、易受Cl2腐蚀
改进电迁移的方法-第3种方法
❖ 三层夹心结构 ▪ 可以在两次铝之间增加大约500A厚的过渡金属 层。这三层金属通过400℃退火1小时后，在两 层铝之间形成金属间化合物，可以防止空洞穿 越整个金属引线，也可以降低铝在晶粒间界的 扩散系数，使MTF提高2~3个数量级。
❖ 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-Si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 ℃
❖ 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
铝硅互溶
❖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
LSi Dta
其中D为扩散系数
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引线与下面SiO2 的黏附性
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（4%） • 杂质在铝晶粒晶界分凝，可以降低铝原子在 铝晶界的扩散系数，从而使MTF提高一个数 量级。 ▪ 缺点:
• 增大了电阻率 • 不易刻蚀、易受Cl2腐蚀
改进电迁移的方法-第3种方法
❖ 三层夹心结构 ▪ 可以在两次铝之间增加大约500A厚的过渡金属 层。这三层金属通过400℃退火1小时后，在两 层铝之间形成金属间化合物，可以防止空洞穿 越整个金属引线，也可以降低铝在晶粒间界的 扩散系数，使MTF提高2~3个数量级。
❖ 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-Si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 ℃
第九章金属化与多层连接1
9.2.4 Al/Si接触的改进
1 Al－Si合金金属化引线
采用铝硅合金代替纯铝作为接触和互连材料， 防止尖楔现象。
问题：出现分凝现象。即，在较高合金退火温 度时熔解在铝中的硅，在冷却过程中又从铝中析出。 该现象产生一个个硅单晶的结瘤。影响器件的 可靠性，有可能导致互连线短路。
2 铝－掺杂多晶硅双层金属化结构
金属势垒层材料(阻挡层金属)选择要求：保形的通 孔和沟槽淀积性能；好的势垒性能；低的通孔电阻；与 铜有好的黏附性；与铜的CMP工艺兼容。如：WN、TiN
9.3.5 金属Cu的淀积技术
采用大马士革（镶嵌）工艺进行Cu布线。 过程与上述相似。
9.3.6 低K介质和Cu互连集成技术中的可靠性问题
可靠性问题涉及：电迁移、应力迁移、热循 环稳定性、介电应力、热导率。
2 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(media time to failure),即50％互连引线 失效时间，其值正比于引线截面积，反比于质量输 运率
3 改进电迁移的方法
1） 结构的影响和“竹状”结构的选择
MTF随着铝线宽度的减小和长度的增加而降
低。
“竹状”铝引线 结构，组成多晶 体的晶粒从下而 上贯穿引线截面， 晶粒间界垂直于 电流的方向，所 以晶粒间界的扩 散不起作用。
第九章 金属化与多层互连
9.1 引言
金属化：金属及金属材料在集成电路技术中的应用。
根据金属在集成电路中的功能划分，可以分为三类：
互连材料——将同一芯片的各个独立的元器件连接成蚀，好的抗电迁移 特性。
互连连线是金属化工艺的主要组成部分；
大部分使用铜铝合金；
R ( l ) /(wtm )
金属化与多层互连
②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比 在晶体Al中大40倍。
③Al与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3
好处：降低Al/Si欧姆接触电阻；
改善Al与SiO2的粘附性。
9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象
图9.3 Al-Si接触引线工艺
T=500℃，t=30min.， A=16μm2，W=5μm， d=1μm，消耗Si层厚度
①在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽； ②CVD淀积一层薄的金属势垒层：防止Cu的扩散； ③溅射淀积Cu的籽晶层：电镀或化学镀Cu需要； ④沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀； ⑤400℃下退火； ⑥Cu的CMP。
铜金属化（Copper Metallization）
9.4 多晶硅及硅化物
多晶硅：CMOS多晶硅 栅、局域互连线；
RC常数：表征互连线延迟，即 RC l 。
t m t ox ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数
①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm； （Al，ρ=2.82μΩcm）
②低K （ε）的介质材料： ε<3.5
Cu互连工艺的关键
①Cu的淀积：不能采用传统的Al互连布线工艺。 （没有适合Cu的传统刻蚀工艺）
Z=0.35μm。 （相当于VLSI的结深） ∵Si非均匀消耗， ∴实际上，A*<<A，即
Z*>>Z，故 Al形成尖楔
尖楔现象
机理：Si在Al中的溶解度及快速 扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬 底；
深度：超过1μm； 特点： <111>衬底：横向扩展 <100> 衬底：纵向扩展 MOS器件突出。 改善：Al中加1wt％-4wt％的过
(s)第九章 金属化与多层互连
9.2.3 Al/Si接触中的尖楔现象
图9.3 Al-Si接触引线工艺 T=500℃，t=30min.， A=4.4μm2，W=5μm， d=1μm，则 消耗Si层厚度Z=0.3μm。 ∵Si非均匀消耗， ∴实际上，A*<<A，即 Z*>>Z，故 Al形成尖楔
尖楔现象
机理： Si在Al中的溶解度及 快速扩散。 特点： <111>衬底：横向扩展 <100> 衬底：纵向扩展 MOS器件突出。
9.3 Cu及低K介质
问题的引出： 互连线延迟随器件尺寸的缩小 而增加；亚微米尺寸，互连延迟 大于栅（门）延迟。 l 2 RC 如何降低RC常数——表征互连线延迟，即 tmtox ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数 tm-引线厚度，tox-互连线下介质层厚度。 ①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm； （Al，ρ=2.82μΩcm） ②低K （ε）的介质材料： ε<3.5
9.4.3 多晶硅互连及其局限性
l 2 ox 互连延迟时间常数RC：RC Rs tox
Rs、 l- -互连线方块电阻和长度， εox、tox-多晶硅互连线下面介质层的介电常数和厚度； 局限性：电阻率过高；
9.5 VLSI与多层互连
多层互连的提出： 互连线面积占主要； 时延常数RC占主要。 9.5.1 多层互连对VLSI的意义 1.使集成密度大大增加，集成度提高； 2.使单位芯片面积上可用的互连线面积大大增加； 3.降低互连延迟： ①有效降低了互连线长度； ②使所有互连线接近于平均长度； ③降低连线总电容随连线间隔缩小而增加的效应； ④减少了连线间的干扰，提高了频率； ⑤加快了整个系统工作速度。 4. 降低成本 （目前Cu互连可高达10层）
chap9-10解析
14
• （1）了解电迁移现象的物理机制
• （2）中值失效时间概念
• （3）改进电迁移的方法
•
结构的影响和“竹状”结构的选择；
•
AL-Cu合金(在Al中加入0.5～4％的Cu可
以降低铝原子在晶间的扩散系数。但同时电阻
率会增加！)和AL-Si-Cu合金；
•
三层夹心结构。
15
9.3 铜及低K介质
• 降低互连线延迟时间重要方法之一：使用
➢可以通过掺杂改变MS。如n-poly可以使VT下降1.1 V，
既工业界常用的双多晶栅dual-poly（n & p）工艺。 ➢多晶栅自对准技术，可以进一步提高集成度。
22
多晶硅栅自对准技术
23
LDD(Lightly Doped Drain)＋spacer 多晶硅自对准技术
LDD工艺是CMOS集成电路进入亚微米后应用最广泛的技术， LDD结构是 用来降低MOS管源端和漏端在沟道的电场分布，以克服热载流子效应所造成的 I-V特性因长时间作用而漂移的问题。但是LDD结构在导电沟道两段的深度只有 20nm，这等于在源极和漏极 的两端形成了两个尖端，尖端放电现象即静电放电 (ESD) 便容易发生在LDD结构上，从而造成这种结构的抗静电能力较低。
接成为具有一定功能的电路模块。 • 接触材料：直接与半导体材料接触的材料，以及
提供与外部相连的连接点。 • 金属材料：除了常见AL、CU、Pt、W等以外，
还包括重掺杂多晶硅、金属硅化金属合金等金属 性材料。
3
9.1 集成电路对金属化材料特性的要求
对IC金属化系统的主要要求
电学、机械、热学、热力学及化学
26
金属硅化物作为接触材料
特点：类金属，低电阻率（<0.01多晶硅），高温
第九章 金属化与多层互连
原子受到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的定向扩散，即发生了金 属原子的电迁移。在相反方向将有质量耗尽，产生空位的聚合。
电迁移现象的结果：在一个方向形成空洞，使互连引线 断裂开路，而在另一个方向则由于铝原子的堆积而形成 小丘，造成光刻的困难和多层布线之间短路，从而使整 个集成电路失效。 金属原子在薄膜中的输运过程是扩散过程，主要是沿晶界进行的。
th
Ef 1Vf
F S T2 T1
Ef杨氏模量，Vf泊松系数，αF 与αS为薄膜和衬底的热膨胀系数， T1为工作 时温度，T2为生长(或退火)温度。 可见减小热应力，最重要的是选择热膨胀系数相近的材料。
应力的存在对互连体系可靠性产生严重影响，应力可导致互连线出现空
及化学反应特性在互连材料的选取以及结构设计时都是必须考虑的问题。
9.2、铝在集成电路技术中的应用
铝是一种经常被采用的金属互连材料，主要优点是:
在室温下的电阻率仅为2.7μΩ·cm； 与n+、p+硅或多晶硅的欧姆接触电阻可低至10-6Ω/cm2；
与硅和磷硅玻璃的附着性很好；
经过短时间热处理后，与SiO2、Si3N4等绝缘层的黏附性很好； 易于淀积和刻蚀。
铝-掺杂多晶硅双层金属化结构
对于Al和重磷或重砷掺杂的多晶硅接触，这种重组现象不存在。
可能是因为杂质磷(砷)在多晶硅晶粒间界分凝，使晶粒间界硅原子 的自由能减小，降低了这些硅原子在铝中的溶解度。 因此可以在淀积铝薄膜之前，先淀积一层重磷或重砷掺杂的多晶 硅薄膜，构成Al-重磷(砷)掺杂多晶硅双层金属化结构。
9.2.1、金属铝膜的制备方法
铝应用于集成电路中的互连引线，主要是采用溅射方法制备，淀积速 率快、厚度均匀、台阶覆盖能力强。
电迁移现象的结果：在一个方向形成空洞，使互连引线 断裂开路，而在另一个方向则由于铝原子的堆积而形成 小丘，造成光刻的困难和多层布线之间短路，从而使整 个集成电路失效。 金属原子在薄膜中的输运过程是扩散过程，主要是沿晶界进行的。
th
Ef 1Vf
F S T2 T1
Ef杨氏模量，Vf泊松系数，αF 与αS为薄膜和衬底的热膨胀系数， T1为工作 时温度，T2为生长(或退火)温度。 可见减小热应力，最重要的是选择热膨胀系数相近的材料。
应力的存在对互连体系可靠性产生严重影响，应力可导致互连线出现空
及化学反应特性在互连材料的选取以及结构设计时都是必须考虑的问题。
9.2、铝在集成电路技术中的应用
铝是一种经常被采用的金属互连材料，主要优点是:
在室温下的电阻率仅为2.7μΩ·cm； 与n+、p+硅或多晶硅的欧姆接触电阻可低至10-6Ω/cm2；
与硅和磷硅玻璃的附着性很好；
经过短时间热处理后，与SiO2、Si3N4等绝缘层的黏附性很好； 易于淀积和刻蚀。
铝-掺杂多晶硅双层金属化结构
对于Al和重磷或重砷掺杂的多晶硅接触，这种重组现象不存在。
可能是因为杂质磷(砷)在多晶硅晶粒间界分凝，使晶粒间界硅原子 的自由能减小，降低了这些硅原子在铝中的溶解度。 因此可以在淀积铝薄膜之前，先淀积一层重磷或重砷掺杂的多晶 硅薄膜，构成Al-重磷(砷)掺杂多晶硅双层金属化结构。
9.2.1、金属铝膜的制备方法
铝应用于集成电路中的互连引线，主要是采用溅射方法制备，淀积速 率快、厚度均匀、台阶覆盖能力强。
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改进电迁移的方法 a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。 b.Al-Cu/Al-Si-Cu合金： Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界的扩散系数。 c.三层夹心结构：两层Al之间加一层约500Å 的金属过渡层，如 Ti、Hf、Cr、Ta。 d.新的互连线：Cu
9.3 Cu及低K介质
问题的引出： 互连线延迟随器件 尺寸的缩小而增加； 亚微米尺寸，互连延 迟大于栅（门）延迟
9.3 Cu及低K介质
如何降低： l RC常数：表征互连线延迟，即 RC 。 t m t ox
ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数 ①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm； （Al，ρ=2.82μΩcm） ②低K （ε）的介质材料： ε<3.5
Cu互连工艺的关键
①Cu的淀积：不能采用传统的Al互连布线工艺。 （没有适合Cu的传统刻蚀工艺） ②低K介质材料的选取与淀积：与Cu的兼容性， 工艺兼容性，高纯度的淀积，可靠性。 ③势垒层材料的选取和淀积：防止Cu扩散； CMP和刻蚀的停止层。 ④Cu的CMP平整化 ⑤大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺 ⑥低K介质和Cu互连的可靠性
9.3.2 Cu互连工艺流程
9.3.5 Cu的淀积
主要问题：缺乏刻蚀Cu的合适的传统工艺。 解决：大马士革镶嵌工艺工艺流程： ①在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽； ②CVD淀积一层薄的金属势垒层：防止Cu的扩散； ③溅射淀积Cu的籽晶层：电镀或化学镀Cu需要； ④沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀； ⑤400℃下退火； ⑥Cu的CMP。
Al合金为3.5 μΩ/cm； 溶解度：Al在Si中很低， Si在Al中相对较高，如 400℃时，0.25wt%； 450℃时，0.5wt%； 500℃时，0.8wt%； Al-Si合金退火：相当可观的Si 溶解到Al中。
9.2.2 Al/Si接触的物理现象
①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低； Si在Al中的溶解度相对较高： ②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比 在晶体Al中大40倍。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 形成低阻欧姆接触； 提供低阻互连线； 抗电迁移； 良好的附着性； 耐腐蚀； 易于淀积和刻蚀； 易键合； 层与层之间绝缘要好。
9.2 Al的应用
电阻率：Al为2.7μΩ/cm，
（Au2.2 μΩ/cm，Ag1.6 μΩ/cm， Cu 1.7μΩ/cm）
③Al与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3 好处：降低Al/Si欧姆接触电阻； 改善Al与SiO2的粘附性。
9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象
图9.3 Al-Si接触引线工艺
T=500℃，t=30min.， A=16μm2，W=5μm， d=1μm，消耗Si层厚度 Z=0.35μm。 （相当于VLSI的结深） ∵Si非均匀消耗， ∴实际上，A*<<A，即 Z*>>Z，故 Al形成尖楔
第九章 金属化与多层互连
金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。 金属化材料分类：（按功能划分） ①MOSFET栅电极材料－ MOSFET器件的组成部分； ②互连材料－ 将各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模块。 ③接触材料－ 直接与半导体材料接触的材料， 以及提供与外部相连的接触点。
互连材料－Interconnection
互连在金属化工艺中占有主要地位 Al-Cu合金最为常用 W塞（80s和90s） Ti：焊接层 TiN：阻挡、黏附层 未来互连金属－－Cu
CMOS标准金属化
TiN的作用
TiN：阻挡层，防止W扩散
TiN：粘合层，帮助W与SiO2 表面粘合在一起
TiN：防反射涂层ARC（Antireflection coating），防止反射 提高光刻分辨率
铜金属化（Copper Metallization）
9.4 多晶硅及硅化物
多晶硅：CMOS多晶硅 栅、局域互连线； 特点：源、漏自对准 CM
9.4.1 多晶硅栅技术
多晶硅栅取代Al栅： p沟道MOS器件的VT降低1.2-1.4V； （通过降低Ф MS） VT降低提高了器件性能： ①工作频率提高；②功耗降低；③集成度提高； 多晶硅栅的优点：①实现自对准的源漏；②降低VT
9.4.3 多晶硅互连及其局限性
互连延迟时间常数: RC=RL2 εox/tox R、 l- -互连线方块电阻和长度， εox、tox-介质层的介电常数和厚度； 局限性：电阻率过高，只能作局部互连；
互连引线面积与各种互连延迟
9.5 VLSI与多层互连
多层互连的提出： 互连线面积占主要； 时延常数RC占主要。
9.5.1 多层互连对VLSI的意义
1.提高集成度； 2.降低互连延迟： 3. 降低成本 （目前Cu互连最高已 达10层）
9.5.4 平坦化
平坦化的必要性
9.5.4 平坦化
台阶的存在：如， 引线孔、通孔边缘； 影响：薄膜的覆盖效果； 改善： ①改进薄膜淀积的工艺： 行星旋转式真空蒸发装置； 溅射替代蒸发； ②PSG、BPSG回流； ③平坦化工艺
尖楔现象
机理：Si在Al中的溶解度及快速 扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬 底； 深度：超过1μ m； 特点： <111>衬底：横向扩展 <100> 衬底：纵向扩展 MOS器件突出。 改善：Al中加1wt％-4wt％的过 量Si。
9.2.5 电迁移现象及改进
电迁移：大电流密度下，导电电子与铝金属离子发生动量 交换，使金属离子沿电子流方向迁移。 现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路； 在阴极端形成空洞，导致电极开路。
第九章 金属化与多层互连
常用金属材料： Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等 常用的金属性材料： 掺杂的poly-Si； 金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2； 金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、 TiB2 、 SiGe 、 ZrB2 、 TiC、MoC、TiN。
9.1 集成电路对金属化 的基本要求
9.3 Cu及低K介质
问题的引出： 互连线延迟随器件 尺寸的缩小而增加； 亚微米尺寸，互连延 迟大于栅（门）延迟
9.3 Cu及低K介质
如何降低： l RC常数：表征互连线延迟，即 RC 。 t m t ox
ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数 ①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm； （Al，ρ=2.82μΩcm） ②低K （ε）的介质材料： ε<3.5
Cu互连工艺的关键
①Cu的淀积：不能采用传统的Al互连布线工艺。 （没有适合Cu的传统刻蚀工艺） ②低K介质材料的选取与淀积：与Cu的兼容性， 工艺兼容性，高纯度的淀积，可靠性。 ③势垒层材料的选取和淀积：防止Cu扩散； CMP和刻蚀的停止层。 ④Cu的CMP平整化 ⑤大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺 ⑥低K介质和Cu互连的可靠性
9.3.2 Cu互连工艺流程
9.3.5 Cu的淀积
主要问题：缺乏刻蚀Cu的合适的传统工艺。 解决：大马士革镶嵌工艺工艺流程： ①在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽； ②CVD淀积一层薄的金属势垒层：防止Cu的扩散； ③溅射淀积Cu的籽晶层：电镀或化学镀Cu需要； ④沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀； ⑤400℃下退火； ⑥Cu的CMP。
Al合金为3.5 μΩ/cm； 溶解度：Al在Si中很低， Si在Al中相对较高，如 400℃时，0.25wt%； 450℃时，0.5wt%； 500℃时，0.8wt%； Al-Si合金退火：相当可观的Si 溶解到Al中。
9.2.2 Al/Si接触的物理现象
①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低； Si在Al中的溶解度相对较高： ②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比 在晶体Al中大40倍。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 形成低阻欧姆接触； 提供低阻互连线； 抗电迁移； 良好的附着性； 耐腐蚀； 易于淀积和刻蚀； 易键合； 层与层之间绝缘要好。
9.2 Al的应用
电阻率：Al为2.7μΩ/cm，
（Au2.2 μΩ/cm，Ag1.6 μΩ/cm， Cu 1.7μΩ/cm）
③Al与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3 好处：降低Al/Si欧姆接触电阻； 改善Al与SiO2的粘附性。
9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象
图9.3 Al-Si接触引线工艺
T=500℃，t=30min.， A=16μm2，W=5μm， d=1μm，消耗Si层厚度 Z=0.35μm。 （相当于VLSI的结深） ∵Si非均匀消耗， ∴实际上，A*<<A，即 Z*>>Z，故 Al形成尖楔
第九章 金属化与多层互连
金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。 金属化材料分类：（按功能划分） ①MOSFET栅电极材料－ MOSFET器件的组成部分； ②互连材料－ 将各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模块。 ③接触材料－ 直接与半导体材料接触的材料， 以及提供与外部相连的接触点。
互连材料－Interconnection
互连在金属化工艺中占有主要地位 Al-Cu合金最为常用 W塞（80s和90s） Ti：焊接层 TiN：阻挡、黏附层 未来互连金属－－Cu
CMOS标准金属化
TiN的作用
TiN：阻挡层，防止W扩散
TiN：粘合层，帮助W与SiO2 表面粘合在一起
TiN：防反射涂层ARC（Antireflection coating），防止反射 提高光刻分辨率
铜金属化（Copper Metallization）
9.4 多晶硅及硅化物
多晶硅：CMOS多晶硅 栅、局域互连线； 特点：源、漏自对准 CM
9.4.1 多晶硅栅技术
多晶硅栅取代Al栅： p沟道MOS器件的VT降低1.2-1.4V； （通过降低Ф MS） VT降低提高了器件性能： ①工作频率提高；②功耗降低；③集成度提高； 多晶硅栅的优点：①实现自对准的源漏；②降低VT
9.4.3 多晶硅互连及其局限性
互连延迟时间常数: RC=RL2 εox/tox R、 l- -互连线方块电阻和长度， εox、tox-介质层的介电常数和厚度； 局限性：电阻率过高，只能作局部互连；
互连引线面积与各种互连延迟
9.5 VLSI与多层互连
多层互连的提出： 互连线面积占主要； 时延常数RC占主要。
9.5.1 多层互连对VLSI的意义
1.提高集成度； 2.降低互连延迟： 3. 降低成本 （目前Cu互连最高已 达10层）
9.5.4 平坦化
平坦化的必要性
9.5.4 平坦化
台阶的存在：如， 引线孔、通孔边缘； 影响：薄膜的覆盖效果； 改善： ①改进薄膜淀积的工艺： 行星旋转式真空蒸发装置； 溅射替代蒸发； ②PSG、BPSG回流； ③平坦化工艺
尖楔现象
机理：Si在Al中的溶解度及快速 扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬 底； 深度：超过1μ m； 特点： <111>衬底：横向扩展 <100> 衬底：纵向扩展 MOS器件突出。 改善：Al中加1wt％-4wt％的过 量Si。
9.2.5 电迁移现象及改进
电迁移：大电流密度下，导电电子与铝金属离子发生动量 交换，使金属离子沿电子流方向迁移。 现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路； 在阴极端形成空洞，导致电极开路。
第九章 金属化与多层互连
常用金属材料： Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等 常用的金属性材料： 掺杂的poly-Si； 金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2； 金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、 TiB2 、 SiGe 、 ZrB2 、 TiC、MoC、TiN。
9.1 集成电路对金属化 的基本要求