第九章_金属化与多层互连

9.4

Cu及低K介质
9.4.1
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
9.4

Cu及低K介质
RC
9.4.2
如何降低：
RC常数：表征互连线延迟，即
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
接触工艺的演变


W原料：WF6
W钨 CVD
先与SiH4反应形成W淀积的核层: 2WF6(g) +3SiH4→2W(s)+3SiF4(g)+6H2 再与H2反应淀积W: WF6(g) +3H2→W(s)+6HF(g) 需要TiN/Ti层与氧化物黏附 W Plug and TiN/Ti Barrier/Adhesion Layer
9.5
9.5.2

多晶硅及硅化物
RC=RL2 εox/tox
多晶硅互连及其局限性
互连延迟时间常数:
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；
9.6

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。
互连引线面积与各种互连延迟
9.6
9.6.1
VLSI与多层互连
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 多层）
9.6
VLSI与多层互连
9.6.2 平坦化
平坦化的必要性
9.6
9.6.2

VLSI与多层互连
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

9.2 金属化材料及应用
6、铜
• Low resistivity (1.7 mW×cm), – lower power consumption and higher IC speed • High electromigration resistance – better reliability • Poor adhesion with silicon dioxide • Highly diffusive, heavy metal contamination • Very hard to dry etch – copper-halogen have very low volatility
9.6.2
BPSG回流工艺
平坦化
牺牲层工艺： 等离子刻蚀工艺， 局域完全平坦化
9.6
9.6.3 CMP工艺
VLSI与多层互连
CMP：chemical mechanical planarization化学机械平面化 或 chemical-mechanical polishing 化学机械抛光
9.6
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



互连：Al-Cu合金 接触孔与通孔：金属W（Ti/TiN/W） Ti/TiN：焊接层、阻挡层、防反射层 电极材料：金属硅化物，如TiSi2
2、硅化物
－电阻率比多晶硅更低， －常用TiSi2, WSi2和 CoSi2
9.2 金属化材料及应用
2、硅化物
自对准形成硅化钛
9.2
3、铝（Al）

金属化材料及应用
最常用的金属 导电性第四好的金属 – 铝 2.65 μΩ-cm – 金 2.2 μΩ-cm
– 银 1.6 μΩ-cm
– 铜 1.7 μΩ-cm
9.3

Al的性质及现象
9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象
尖楔机理：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％的过量Si




9.3
9.2.4
9.3
9.2.2
Al的性质及现象
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。 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。
5、钨W
• • • • 接触孔和通孔中的金属塞 接触孔变得越来越小和越窄 PVD Al合金: 台阶覆盖性差，产生空洞 CVD W: 出色的台阶覆盖性和空隙填充能力
•
•
CVD W：更高电阻率: 8.0-12 mW-cm
PVD Al合金 (2.9 -3.3 mW-cm) W只用作局部互连和金属塞
9.2 金属化材料及应用
1）掺杂的poly-Si； 2）金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2、TiSi2； 3）金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、TiB2 、 SiGe 、 ZrB2 、TiC、MoC、TiN。
9.2
1、多晶硅
－栅和局部互连，
金属化材料及应用
－70s中期后代替Al作为栅极， －高温稳定性：满足注入后退火的要求，Al不能自对准 －重掺杂，LPCVD淀积
9.3
9.2.1
Al的性质及现象
Al的性质
电阻率：Al为2.7μΩ/cm，
（Au2.2 μΩ/cm，Ag1.6 μΩ/cm， Cu 1.7μΩ/cm）
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。
9.6.3

VLSI与多层互连
CMP工艺

CMP的基本构成： ①磨盘：聚亚胺酯薄片 ②磨料： a.反应剂：氧化剂； b.摩擦剂：SiO2 CMP的基本机理： ①金属被氧化，形成氧化物； ②SiO2磨掉氧化物。
9.6.4
CMOS IC的多层互连
9.6.4
1）PECVD Nitride
CMOS IC的多层互连
9.4.4
Cu互连工艺流程
9.4.5

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。
3）PECVD Etch Stop Nitride
2）PECVD USG
4）PECVD USG
9.6.4
CMOS IC的多层互连
6）Via 1 Mask Exposure and Development
5）Photoresist Coating
Via 1 Mask
9.6.4
CMOS IC的多层互连
9.1
集成电路对金属化的基本要求
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 金属化材料及应用


常用金属材料：
Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等


常用的金属性材料：

1970s中期以前用作栅电极金属
9.2 金属化材料及应用
4、钛Ti：硅化钛、氮化钛
Ti/TiN的作用： 1）阻挡层：防止W扩散 2）粘合层：帮助W与SiO2 表面粘合在一起 3）防反射涂层ARC （Anti-reflection coating），防止反射提 高光刻分辨率
9.2 金属化材料及应用
Al的性质及现象
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。
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
集成电路制造技术
第九章 金属化与多层互连
西安电子科技大学
微电子学院
戴显英 2013年9月
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。
铜金属化（Copper Metallization）
多层Cu互连
9.5

多晶硅及硅化物
多晶硅：CMOS多晶硅栅、局 域互连线；
9.5.1

多晶硅栅技术