第十一章 金属淀积.ppt

第十一章 金属淀积;金属化工艺的作用 金属化：在绝缘介质膜上淀积金属膜以及随后刻印图形形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程。 对未来的集成电路微芯片，互连技术已成为关键技术。 为提高电路速度与集成度，应尽可能缩短互连线，或采用多层金属化系统，或减小金属电阻率——铜代替铝作为互连金属，对深亚微米线宽，利用低k层间介质。;11.1金属化的专门术语 互连（interconnect)指由导体材料如铝、多晶硅或铜制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分。也被用于芯片上器件和整个封装之间的金属连接。 接触（contact）指芯片内部的器件与第一金属层间在硅片表面的连接。 通孔（via）指穿过各种介质从某一金属层到毗邻金属层形成电通路的开口。;填充薄膜：指用金属薄膜填充通孔，以便在两层金属间形成电连接。 合金化（alloying）指为了确保金属和晶片之间具有较好的导电性能，经常在金属的光刻之后加入一个热处理步骤。 ;集成电路对金属化的基本要求 (1)对N+、P+硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触，即金属／硅 接触电阻要小； (2)能提供低阻的互连引线，从而有利于提高电路速度； (3)在长时期的较高电流密度负荷下，金属材料的输运问题(电迁移现象)不致引起金属化引线的失效，即抗电迁移性能要好； ;(4)与绝缘体(例如Si02)有良好的附着性； (5)耐腐蚀； (6)易于淀积和刻蚀； (7)易于键合，且键合点能经受长期工作； (8)从多层互连要求讲，层与层之间绝缘要好，不互相渗透和扩散，即要求有一个扩散阻挡层等； ;（9）长期的稳定性 （10）高纯度 （11）均匀的颗粒结构 （12）能够淀积出均匀而且没有“空洞”和“小丘”的薄膜;半导体工业中常用的金属材料; 但是能满足上述要求的最佳金属是铝，它已广泛地应用于双极和 MOS集成电路中．铝的室温电阻率很低2.7 ·cm，因而能满 足低阻的要求，与N+、P+硅或多晶硅的欧姆接触电阻可低至（1—10)x10-6 ，与SiO2和磷硅玻璃附着性好，又易于淀识和 刻蚀．但是铝也有缺点，主要是电迁移问题；硅在铝中的扩散引 起铝在Al／Si界面向硅中楔进和耐腐蚀性差等问题．为了解决这 一问题，发展了一系列的方法。; 相应地采取了AI—Si、Al—Si—Cu合金（合金电阻增加30%)；Pt—Si／Si、Pd—Si／Si、W／Si界面；TiW、 TiN扩散阻挡层和难熔金属或难熔金属硅化物、多晶硅／硅化物 复合材料互连等．因此金属化系统实际上是一个相当复杂的 系统问题． ;11.2多层金属导体框架 增加芯片密度能够在晶片表面放置更多的 元件，这实际上就减少了表面连线的可用空间。 解决的方法就是利用多层金属结构。到2012年， 芯片上的金属层可望达到9层.这种堆栈结构的底 部是在硅表面形成硅化物隔离层，有利于降低硅 表面和上层之间的阻抗。如果铝作为导电物质的 话，隔离层也能够阻止铝和硅形成合金。;接下来是由某种绝缘物质构成的绝缘层，这 种绝缘材料可能是淀积的氧化物、氮化硅或 聚酰亚胺膜。这一层需要经过光刻形成新的 连接孔，直达第一层金属。在这些连接孔中 淀积导电的物质，就可以形成导电的连接 柱。紧接着第一层金属层被淀积并光刻。在 以后的工艺中，重复这个步骤，就形成了多 层金属结构。; 和单层金属系统相比，多层金属系统更昂 贵，良品率低，同时需要尽量使晶片表面和中 间层平整化，才能制造出较好的载流导线。;11.3导体 11.3.1 铝 从导电性能的观点看，铝的导电性要比铜和金差些，因此早期的金属化结构曾使用金，但是由于它与硅的接触电阻很高，因此需要一个铂中间层，其顶部需要加入一层钼金属来克服其柔软性。如果直接使用铜作为铝的取代物的话，首先，它与硅有很高的接触电阻，其次，如果它进入器件区的话，会降低器件的性能。而铝不具有上述问题。 ;优点： 铝与P 型硅及高浓度N型硅均能形成低欧姆接触。 电阻率低。 与SiO2 粘附性强，无需粘附层。 能单独作金属化布线，工艺简单。 能用电阻丝加热蒸发，工艺简单 铝与硅的接触处无空隙，粘附牢固。 材料价格低廉。;铝能够穿透引线孔内残余的氧化层，容易形成欧姆接触。 容易腐蚀，且在腐蚀铝时对SiO2 和Si 不产生腐蚀。 固溶在铝引线内的硅对铝引线的电阻率影响不大。 ;缺点： 1.铝布线的电迁移现象比较严重。铝导线比较细长，经常承载很高的电流，电流在导线内部产生一个电场，电场强度从输入端到输出端逐渐减弱。同时，电流所产生的热也产生一个热梯度。在它们的作用下，导线内部的铝就会运动并沿着两个梯度的方向扩散。这样最直接的影响就是使用导线变细，导线甚至完全断开，引起芯片失效。 ;2.硅在铝中的溶解和扩散，会产生铝尖楔现象，导致浅