[材料科学]金属化与多层互连.ppt

第九章 金属化与多层互连 本章主要内容 金属材料在集成电路中的功能 栅电极（现最常采用的是多晶硅） 良好的界面特性和稳定性； 合适的功函数。 互连材料（铝、铜） 电阻率小，易于淀积和刻蚀，好的抗电迁移特性。 接触材料（金属材料、硅化物） 良好的接触特性（界面性，稳定性，接触电阻小，在半导体材料中的扩散系数要小）； 后续加工工序中的稳定性； 保证器件不失效。 硅基集成电路中金属材料的基本要求 能与硅基形成低阻的欧姆接触； 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； 与绝缘体有良好的附着性； 耐腐蚀； 易于淀积和刻蚀； 易于键合，而且键合点能长期工作； 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。 集成电路对金属化材料特性的要求 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。 集成电路对金属化材料特性的要求 集成电路对金属化材料特性的要求 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，故退火时， Si原子会溶到Al中，溶解量与退火温度时的溶解度、Ｓi在Ａl的扩散情况有关。 Ｓi在Ａl中的扩散系数 硅在铝薄膜中的扩散系数比在晶体铝中约大40倍。原因是因为杂质在晶粒间界的扩散系数大于晶体内扩散系数。 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。 Al/Si接触中的尖楔现象 当铝硅形成接触孔时，由于硅在铝中有可观溶解度，当硅在铝膜的晶粒间界中快速扩散而离开接触孔的同时，铝就向接触孔内运动，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/Si接触中的尖楔现象 Al—Si界面的氧化层的厚度 薄氧：由于铝膜与SiO2接触可以吃掉薄的SiO2，因而使Al/Si作用面积较大，尖楔的深度就较浅。 厚氧：Al/Si作用面只限于几个点，不易扩展，但Si的消耗体积并不变，因此尖楔深度就比较大。 衬底晶向 〈111〉：此晶面硅原子双层密排面，各双层密排面之间原子间距比较大，因此尖楔倾向于横向扩展，尖楔是平底，在双极集成电路中较突出； 〈100〉：尖楔倾向于垂直扩展，易使pn结短路。在MOS集成电路中，为减少界面态的影响，往往采用100晶面，故在MOS电路中较为突出。 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 铝-掺杂多晶硅双层金属化结构 铝-阻挡层结构 铝-阻挡层结构 电迁移现象及其改进方法 电迁移现象及其改进方法 电迁移现象及其改进方法 铜及低K介质 互连引线的延迟时间 铜互连工艺的关键技术 金属Cu的淀积技术 以Cu作为互连材料的工艺流程 以Cu作为互连材料的工艺流程 低K介质材料和淀积技术 低K介质材料和淀积技术 低K介质材料和淀积技术 低K介质材料和淀积技术 1.与低K介质材料工艺兼容； 2.对刻蚀停止层材料有高的选择性； 3.能形成垂直图形； 4.对Cu无刻蚀和腐蚀； 5.刻蚀的残留物易清除； 低K介质材料和淀积技术 势垒层材料技术 介质势垒层（比如sic） 作用: 防止Cu的扩散和改善Cu的附着性 作为CMP和刻蚀工艺的停止层 保护Cu薄膜和介质层不受氧化和腐蚀效应影响电性能 要求:低介电常数,刻蚀选择性和抗扩散性要好 金属势垒层（比如WN,TiN,TaN等） 作用:防止Cu的扩散,还保证高可靠的电学接触 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Cu有好的黏附性 与Cu的CMP工艺兼容 金属Cu的淀积技术 （1）势垒层:采用PVD中的溅射法淀积，以保形淀积保证通孔和沟槽； （2）籽晶层:为了激发电镀的开始，有理想的图形结构利用溅射方法淀积铜的仔晶层； （3）利用CVD或电化学方法对沟槽和通孔同时进行金属铜的填充淀积； （4）在400℃左右进行退火工艺； （5）铜的CMP和清洁工艺 低K介质材料和Cu互连的可靠性 对互连介质材料来说，希望低介电常数和高击穿特性 对Cu互连线的电迁移和应力迁移特性,温度循环应力的影响是可靠性研究的主要内容 通孔和沟槽引线中的空洞是造成电迁移失效和应力迁移失效 势垒层与Cu界面的缺陷是造成空洞的原因 多晶硅及硅化物 铝栅工艺 多晶