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第九章 金属化与多层互连技术 本章主要内容 集成电路工艺中对金属材料的要求 目前使用最广泛的铝和铜 多晶硅、锗硅等栅电极材料及硅化物 多层金属互连工艺 9.1 集成电路对金属化材料特性的要求 一、金属及金属性材料 1.按功能划分 ①MOSFET栅电极材料－MOSFET器件的组成部分，对器件的性能起着重要的作用。 ②互连材料－将同一芯片的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。 2.常用金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等 3.常用的金属性材料：掺杂的poly-Si、金属硅化物（PtSi、CoSi）、金属合金（AuCu、CuPt、TiB2 、ZrB2 、TiC、MoC、TiN） 二、集成电路对金属化的基本要求 1.对P＋、N＋或poly-Si形成低阻欧姆接触，即硅/金属接触电阻越小越好； 2.提供低阻互连线，从而提高集成电路的速度； 3.抗电迁移； 4.良好的附着性； 5.耐腐蚀； 6.易于淀积和刻蚀； 7.易键合； 8.层与层之间绝缘要好，即相互不扩散，即要求有一个扩散阻挡层。 9.1.1 晶格结构和外延生长特性的影响 影响单晶膜生长的主要因素： 影响薄膜外延生长的重要因素： 晶格常数失配因子η：描述晶格结构的匹配程度。 9.1.2 电学特性 必须考虑：电阻率、电阻率的温度系数、功函数、与半导体接触的肖特基势垒高度等。 9.2 铝在集成电路制造中的应用 9.2.1 金属铝膜的制备方法 1.真空蒸发淀积 ①电阻加热蒸发：利用难熔金属电阻丝（W）或电阻片（Mo）加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。 ②电子束蒸发：利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。 现在主要采用溅射法制备。 9.2.2 Al/Si接触中的几个物理现象 ①Al/Si相图：Al在Si中的溶解度非常低；Si在Al中的溶解度相对较高：400℃时，0.25wt%; 450℃时，0.5wt%；500℃时，0.8wt%。 合金化原理：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。 铝硅合金工艺：500℃（577℃共熔点），10～15分钟。 金和硅共熔点:370℃ 合金气氛：真空或H2 , N2混合。 ②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中约大40倍（400~500 ℃ ）。 ③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 9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象 定义：由于硅在接触孔内的不均匀消耗，即只通过几个点上消耗硅，致使有效面积远小于接触孔面积，而消耗掉的硅层厚度远大于均匀消耗的深度。这样，铝在某些接触点，像尖钉一样楔进到硅衬底中，从而使PN结失效。 引起原因：硅在铝中有可观溶解度。 主要影响因素：Al-Si界面的氧化层厚度。 薄—尖楔深度较浅 厚—尖楔深度较大 衬底晶向的影响：（100）大于（111） 9.2.4 Al/Si接触的改进 1.Al-Si合金金属化引线 存在问题：硅的分凝，造成互连引线失效及引线键合变得困难。 2.Al--掺杂poly-Si双层金属化结构 方法：在淀积铝金属化薄膜前，先淀积一层重磷或重砷掺杂多晶硅薄膜，构成Al—重磷（砷）掺杂poly-Si结构。 优点： ①抑制铝尖楔现象及析出硅引起的p+-n问题。 ②可以作为欧姆接触和互连引线，还可形成浅p+-n结。 ③可进行吸杂处理，改善pn结特性。 注意：为保证有较低的欧姆接触，上述工艺必须在淀积多晶硅前，要彻底去除硅表面的薄氧化层。 3.Al-阻挡层结构 方法：AI-薄金属层-Si 阻挡层要求：能作为欧姆接触材料。 典型工艺：PtSi，Pd2Si，CoSi2作为欧姆接触材料， TiN作为阻挡层。 阻挡层作用：抑制尖楔，减小漏电流。 图9.6 其它减小铝尖楔问题方法 减小铝体积：Al/阻挡层/ Al-Si-Cu 降低硅在铝中的扩散系数:设法降低硅在铝晶粒间界的扩散系数和减小扩散通道。 9.2.5 电迁移现象及改进 ①电迁移机理：在大电流密度作用下，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。迁移使金属离子在阳极端堆积，形成小丘或，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。 ②电迁移现象的表征－中值失效时间MTF，即50％互连线失效的时间。 MTF与引线截面积成正比，反比于质量输运率。 ③改进电迁移的方法 a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。图9.7 b.Al-Cu(