欧姆接触
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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％ to 30 %的潜力。
18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+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
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
14
金属和硅接触的问题---
1.尖峰现象"spiking" problems 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
由于在优化超大规模集成电路的性能方面，需要进一步 按比列缩小器件的尺寸，因此在源/漏和第一金属层之 间电接触的面积是很小的。这个小的接触面积将导致接 触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源/漏区 接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。它能很好地 与露出的源、漏以及多晶硅栅的硅对准。许多芯片的性 能问题取决于自对准硅化物的形成（见下图）。
金属化与平坦化
1
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
4
在集成电路中金属薄膜主要用于 1.欧姆接触（Ohmic Contact） 2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact） 3.低阻栅电极（Gate Electrode） 4.器件间互联（interconnect）
触电阻很小；
肖特基接触：相当于理想的二极管；
10
11
形成欧姆接触的方式
低势垒欧姆接触 一般金属Al和/pP-S型0i.势4半e垒V导高度体 的接触势垒较低
高复合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
高掺杂欧姆接触
Al/N-Si势垒高度
0.7eV
需高掺杂欧姆接触
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材
料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被 光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属 （通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
6
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H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
然后再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O2/H20或 H2SO4/H2O2的混合液）清除不需要的金属淀积层，留下 栅极及其他需要做硅化物的salicide。
35
自对准硅化物工艺 Salicide
Self-aligned silicide (“salicide”) process
多晶硅 有源硅区
Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的连线金属
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（ILD）。通过降低介电常数来减 少寄生电容。
23
IC互连金属化引入铜的优点
侧墙氧化层 场氧化层
Silicon substrate
1. 有源硅区
钛硅反应区
2. 钛淀积
T成iSi2 形
3. 快速热退火处理
4.Байду номын сангаас去除钛
36
The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin metal film with silicon in the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes.
25
铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高 扩散率将破坏器件的性能。可淀积一层阻挡层金属， 作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚 度对0.25µm工艺来说为100nm；对0.35µm工艺来说为 400～600nm。
阻挡层金属 铜
铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层封闭 薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。
自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。
34
Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及 源漏注入以后，以溅射的方式在POLY上淀积一层金 属层（一般为 Ti,Co或Ni），然后进行第一次快速 升温退火处理（RTA），使多晶硅表面和淀积的金属 发生反应，形成金属硅化物。
根据退火温度设定，使得其他绝缘层（ Nitride 或 Oxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望 的硅化物，因此是一种自对准的过程(does not require lithographic patterning processes)。
The term "salicide" is a compaction of the phrase self-aligned silicide. The description "self-aligned" suggests that the contact formation does not require lithographic patterning processes, as opposed to a non-aligned technology such as polycide. The term salicide is also used to refer to the metal silicide formed by the contact formation process, such as "titanium salicide", although this usage is inconsistent with accepted naming conventions in chemistry.
20
硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅
铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
15
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( Diffusion Barrier )
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
16
2.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
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
metal
Heavily doped N+ Si
Ohmic Contact
metal N- Si
Schottky Contact
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
5
金属化的几个术语
接触（contact）：指硅芯片内的器件与第一层金属层之 间在硅表面的连接
互连（interconnect）：由导电材料，(如铝，多晶硅或 铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分
通孔（via）：通过各种介质层从某一金属层到相邻的另 一金属层形成电通路的开口
“填充薄膜”：是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属 层之间形成电连接。
(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
7
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。
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
8
金属层和硅衬底形成什么接触？
30
Polycide和Salicide则是分别指对着不同的形 成Silicide的工艺流程，下面对这两个流程的 区别简述如下：
31
多晶硅上的多晶硅化物 Polycide
钛多晶硅化物
多晶硅栅
钛硅化物
掺杂硅
如果难熔金属和多晶硅反应。那么它被称为多晶 硅化物。掺杂的多晶硅被用作栅电极，相对而言 它有较高的电阻率（约500µΩ-cm），正是这导致 了不应有的信号延迟。多晶硅化物对减小连接多 晶硅的串联电阻是有益的
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： 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。
12
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
Via-4
Top Nitride
ILD-6
Metal-4 ILD-5
Metal-3 ILD-4
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
32
Polycide ：其一般制造过程是，栅氧化层 完成以后，继续在其上面生长多晶硅 (POLY-SI），然后在POLY上继续生长金属 硅化物（silicide），其一般为 WSi2 （硅化钨）和 TiSi2 （硅化钛）薄膜，然 后再进行栅极刻蚀和有源区注入等其他工 序，完成整个芯片制造。
33
自对准硅化物 salicide
• 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。
26
钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽 （Ta） 、氮化钽和钽化硅都是阻挡层金属的待选材料，阻 挡层厚度必须很薄（约75埃），以致它不影响具有高深宽 比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色。
钽 铜
27
可接受的阻挡层金属的基本特征：
1. 有很好的阻挡扩散作用； 2. 高导电率具有很低的欧姆接触电阻； 3. 在半导体和金属之间有很好的附着； 4. 抗电迁移 5. 在很薄的并且高温下具有很好的稳定性； 6. 抗侵蚀和氧化。
28
Silicide Polycide Salicide
这三个名词对应的应用应该是一样的，都是利用硅 化物来降低连接电阻。但生成的工艺是不一样的
29
硅化物 Silicide
Silicide就是金属硅化物，是由金属和 硅经过物理－化学反应形成的一种化合态， 其导电特性介于金属和硅之间
硅化物是一种具有热稳定性的金属化合 物，并且在硅/难熔金属的分界面具有低的 电阻率。在硅片制造业中，难熔金属硅化物 是非常重要的，因为为了提高芯片性能，需 要减小许多源漏和栅区硅接触的电阻。在铝 互连技术中，钛和钴是用于接触的普通难熔 金属。
13 – 16 5 10
21
铝铜合金
由于铝的低电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。
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％ to 30 %的潜力。
18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+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
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
14
金属和硅接触的问题---
1.尖峰现象"spiking" problems 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
由于在优化超大规模集成电路的性能方面，需要进一步 按比列缩小器件的尺寸，因此在源/漏和第一金属层之 间电接触的面积是很小的。这个小的接触面积将导致接 触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源/漏区 接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。它能很好地 与露出的源、漏以及多晶硅栅的硅对准。许多芯片的性 能问题取决于自对准硅化物的形成（见下图）。
金属化与平坦化
1
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
4
在集成电路中金属薄膜主要用于 1.欧姆接触（Ohmic Contact） 2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact） 3.低阻栅电极（Gate Electrode） 4.器件间互联（interconnect）
触电阻很小；
肖特基接触：相当于理想的二极管；
10
11
形成欧姆接触的方式
低势垒欧姆接触 一般金属Al和/pP-S型0i.势4半e垒V导高度体 的接触势垒较低
高复合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
高掺杂欧姆接触
Al/N-Si势垒高度
0.7eV
需高掺杂欧姆接触
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材
料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被 光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属 （通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
6
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H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
然后再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O2/H20或 H2SO4/H2O2的混合液）清除不需要的金属淀积层，留下 栅极及其他需要做硅化物的salicide。
35
自对准硅化物工艺 Salicide
Self-aligned silicide (“salicide”) process
多晶硅 有源硅区
Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的连线金属
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（ILD）。通过降低介电常数来减 少寄生电容。
23
IC互连金属化引入铜的优点
侧墙氧化层 场氧化层
Silicon substrate
1. 有源硅区
钛硅反应区
2. 钛淀积
T成iSi2 形
3. 快速热退火处理
4.Байду номын сангаас去除钛
36
The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin metal film with silicon in the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes.
25
铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高 扩散率将破坏器件的性能。可淀积一层阻挡层金属， 作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚 度对0.25µm工艺来说为100nm；对0.35µm工艺来说为 400～600nm。
阻挡层金属 铜
铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层封闭 薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。
自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。
34
Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及 源漏注入以后，以溅射的方式在POLY上淀积一层金 属层（一般为 Ti,Co或Ni），然后进行第一次快速 升温退火处理（RTA），使多晶硅表面和淀积的金属 发生反应，形成金属硅化物。
根据退火温度设定，使得其他绝缘层（ Nitride 或 Oxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望 的硅化物，因此是一种自对准的过程(does not require lithographic patterning processes)。
The term "salicide" is a compaction of the phrase self-aligned silicide. The description "self-aligned" suggests that the contact formation does not require lithographic patterning processes, as opposed to a non-aligned technology such as polycide. The term salicide is also used to refer to the metal silicide formed by the contact formation process, such as "titanium salicide", although this usage is inconsistent with accepted naming conventions in chemistry.
20
硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅
铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
15
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( Diffusion Barrier )
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
16
2.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
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
metal
Heavily doped N+ Si
Ohmic Contact
metal N- Si
Schottky Contact
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
5
金属化的几个术语
接触（contact）：指硅芯片内的器件与第一层金属层之 间在硅表面的连接
互连（interconnect）：由导电材料，(如铝，多晶硅或 铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分
通孔（via）：通过各种介质层从某一金属层到相邻的另 一金属层形成电通路的开口
“填充薄膜”：是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属 层之间形成电连接。
(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
7
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。
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
8
金属层和硅衬底形成什么接触？
30
Polycide和Salicide则是分别指对着不同的形 成Silicide的工艺流程，下面对这两个流程的 区别简述如下：
31
多晶硅上的多晶硅化物 Polycide
钛多晶硅化物
多晶硅栅
钛硅化物
掺杂硅
如果难熔金属和多晶硅反应。那么它被称为多晶 硅化物。掺杂的多晶硅被用作栅电极，相对而言 它有较高的电阻率（约500µΩ-cm），正是这导致 了不应有的信号延迟。多晶硅化物对减小连接多 晶硅的串联电阻是有益的
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： 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。
12
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
Via-4
Top Nitride
ILD-6
Metal-4 ILD-5
Metal-3 ILD-4
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
32
Polycide ：其一般制造过程是，栅氧化层 完成以后，继续在其上面生长多晶硅 (POLY-SI），然后在POLY上继续生长金属 硅化物（silicide），其一般为 WSi2 （硅化钨）和 TiSi2 （硅化钛）薄膜，然 后再进行栅极刻蚀和有源区注入等其他工 序，完成整个芯片制造。
33
自对准硅化物 salicide
• 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。
26
钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽 （Ta） 、氮化钽和钽化硅都是阻挡层金属的待选材料，阻 挡层厚度必须很薄（约75埃），以致它不影响具有高深宽 比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色。
钽 铜
27
可接受的阻挡层金属的基本特征：
1. 有很好的阻挡扩散作用； 2. 高导电率具有很低的欧姆接触电阻； 3. 在半导体和金属之间有很好的附着； 4. 抗电迁移 5. 在很薄的并且高温下具有很好的稳定性； 6. 抗侵蚀和氧化。
28
Silicide Polycide Salicide
这三个名词对应的应用应该是一样的，都是利用硅 化物来降低连接电阻。但生成的工艺是不一样的
29
硅化物 Silicide
Silicide就是金属硅化物，是由金属和 硅经过物理－化学反应形成的一种化合态， 其导电特性介于金属和硅之间
硅化物是一种具有热稳定性的金属化合 物，并且在硅/难熔金属的分界面具有低的 电阻率。在硅片制造业中，难熔金属硅化物 是非常重要的，因为为了提高芯片性能，需 要减小许多源漏和栅区硅接触的电阻。在铝 互连技术中，钛和钴是用于接触的普通难熔 金属。
13 – 16 5 10
21
铝铜合金
由于铝的低电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。