金属化与多层互连剖析.ppt

金属化与多层互连 金属材料的应用 金属化 金属及金属性材料在集成电路技术中的应用（金属；重掺杂多晶硅；金属硅化物；合金） 金属材料的用途及要求： 栅电极： 良好的界面特性和稳定性 合适的功函数 多晶硅的优点 互连材料 电阻率小，易于淀积和刻蚀，好的抗电迁移特性 接触材料（接触孔、硅化物） 良好的接触特性（界面性，稳定性，接触电阻，在半导体材料中的扩散系数） 后续加工工序中的稳定性； 保证器件不失效 集成电路对金属化材料特性的要求 １．能与硅基形成低阻的欧姆接触． ２．长时期在较高电流密度负荷下，金属材料的抗电迁移性能要好． ３．与绝缘体有良好的附着性． ４．耐腐蚀 ５．易于淀积和刻蚀 ６．易于键合，而且键合点能长期工作 ７．多层互连要求层与层间绝缘性好，层间不发生互相渗透和扩散． 晶格结构和外延生长特性的影响 外延生长的单晶膜具有理想的特性． 影响单晶膜生长的因素： 薄膜和衬底材料晶格结构匹配程度 界面附着稳定程度 薄膜晶化生长稳定性 淀积条件 材料纯净度 后续工艺处理的影响 晶格常数失配因子 薄膜和衬底材料晶格结构匹配程度 量化表征:晶格常数失配因子( ) 定义:衬底材料的晶格常数af与薄膜材料的晶格材料as之差与衬底材料晶格常数之比 希望接触材料和互连材料都具有小的晶格常数失配因子 合金材料的晶格常数失配因子小 金属材料的常规特性 电学性能 包括电阻率，电阻温度系数，功函数，与半导体接触的肖特基势垒高度等． 合金和硅化物材料（性能与材料中的原子数比有关） 接触金属和栅电极材料（功函数，肖特基势垒高度，接触电阻） 机械特性 总的应力体现为两种情形：张应力和压应力 总应力造成的因素： 固有应力（由淀积生长条件决定，如晶格失配，结构，缺陷，表面效应．．．） 热应力（衬底和薄膜热膨胀系数不同，生长温度与使用温度不同） 金属材料的常规特性 危害：对互连体系可靠性产生严重影响，导致互连线出现空洞，互连材料的电迁移 解决措施： 多层薄膜体系的应力通过淀积生长适当的覆盖层减弱．若第一层薄膜受张力，覆盖层选择受压缩力的，经退火后应力转移，总应力减小． 热力学与化学特性 金属材料在半导体中扩散而导致的接触界面可靠性与稳定性 铝在集成电路中的应用 Al/Si接触中的现象 铝硅相图 Al在Si中的溶解度低 Si在Al中的溶解度较高（铝的尖楔现象） 故退火时， Si原子会溶到Al中（溶解量与退火温度的溶解度，Ｓi在Ａl的扩散情况有关） Ｓi在Ａl中的扩散系数 杂质在晶粒间界的扩散系数大于晶体内扩散系数 Ａl引线与Ａl／Ｓi接触孔特征尺寸小，扩散为一维　　 Al与SiO2的反应 4Al+ 3SiO2 3Si+2Al2O3 吃掉Si表面的SiO2 ，降低接触电阻 改善与SiO2 的黏附性 尖楔现象 原因： 当铝硅形成接触孔时，由于硅在铝中有可观溶解度，在接触孔面积范围内，被消耗掉的硅层厚度与结深相当，有可能使p－n结短路； 实际上，硅在接触孔内不是均匀消耗的，只是通过几个点上消耗Ｓi，有效面积远小于接触孔面积 　实际消耗的厚度也远大于均匀消耗深 　度． Ａl就在某些接触点，像尖钉一样楔到 　Ｓi衬底中去，使p－n结失效． 影响尖楔因素 Al—Si界面的氧化层的厚度 薄氧（１０Ａ） 厚氧(出现在缺陷处，尖楔较深） 衬底晶向 〈111〉：横向扩展，尖楔是平底 双极集成电路 〈100〉：垂直扩展 pn结短路 MOS集成电路（减少界面态，尖楔现象严重） Al/Si接触的改进 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 其它方法 减小铝体积 采用Al/阻挡层/Al-Si-Cu 降低Si在Al中的扩散系数 铝-硅合金金属化引线 用Ａl－Ｓi合金代替纯Ａl作为接触和互连材料 铝和硅（重掺杂1019），在300 ℃ 以上可以在界面形成硅铝合金从而形成半导体和金属的欧姆接触(M-p+p, M-n+ n结构) 可消弱尖楔问题。 新的问题出现了： 硅的分凝问题 形成原子团，单晶结瘤甚至外延层导致器件的失效 铝-掺杂多晶硅双层金属化结构 铝-未掺杂多晶硅：重组现象 原因： 多晶硅晶粒间界处硅原子自由能较高　　　　溶解在多晶硅晶粒间界铝中的硅浓度高　　　　硅原子通过在铝中的扩散，从晶粒间界处向晶粒上的铝膜运输，且在那儿析出淀积 铝-重掺杂多晶硅（P,As)无重组现象 原因： （Ｐ，Ａs）在多晶硅晶粒间界分凝，使晶粒间界中的硅原子自由能减小，降低在铝中的溶解度 故在淀积铝膜前一般先淀积一层重P（As）掺杂多晶硅 提供溶解于铝中所需的硅原子，从而抑制了尖楔现象 Al-重P(As)掺杂多晶硅优点 1.可提供溶解于铝中所要求的硅原子,从而有利于抑制铝尖楔现象