低电阻率金属.ppt

集成电路工艺原理 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室 后端工艺 backend of the line technology (BEOL) ——将器件连接成特定的电路结构：金属线及介质的制作，使得金属线在电学和物理上均被介质隔离。 对IC金属化系统的主要要求 (1) 金属和半导体形成低阻接触 (2) 低阻互连 (3) 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 (4) 台阶覆盖好 (5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象 (6) 易刻蚀 (7) 制备工艺简单 可能形成互连的导电材料 金属 （metal）：low resistivity 多晶硅（poly–Si）：Medium resistivity) 硅化物（metal silicides）：介于以上二者之间 定义：零偏压附近电流密度随电压的变化率 形成欧姆接触的方式 低势垒欧姆接触：一般金属和p型半导体 的接触势垒较低 高掺杂欧姆接触 SALICIDE Process (a) Basic MOSFET structure fabricated 最常用的材料是Al：采用溅射淀积? （1）铝的电迁移 当大密度电流流过金属薄膜时，具有大动量的导电电子将与金属原子发生动量交换，使金属原子沿电子流的方向迁移，这种现象称为金属电迁移 电迁移会使金属原子在阳极端堆积，形成小丘或晶须，造成电极间短路；在阴极端由于金属空位的积聚而形成空洞，导致电路开路 (2) Al/Si接触中的尖楔现象 1）硅和铝不能发生化学反应形成硅化物，但是退火温度下（400-500 ?C），硅在铝中的固溶度较高（固溶度随温度呈指数增长），会有相当可观的硅原子溶解到Al中。 2）退火温度下，Si在Al膜中的扩散系数非常大——在薄膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的40倍。 3) Al和SiO2会发生反应：4Al+3SiO2?2Al2O3+3Si Al与Si接触时，Al可以“吃掉”Si表面的天然SiO2层(～1 nm)，使接触电阻下降； 可以增加Al与SiO2的粘附性。 SiO2厚度不均匀，会造成严重的尖楔现象。 合金化 合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力。 在300 oC以上，硅就以一定比例熔于铝中，在此温度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成一层很薄的Al-Si合金。Al通过Al-Si合金和接触孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触 Al-Si系统一般合金温度为450-500 ?C 解决电迁移问题的方法 在Al中加入0.5～4％的Cu可以降低铝原子在晶间的扩散系数。但同时电阻率会增加！ Airgap 多层布线技术（Multilevel-Multilayer Metallization） 器件制备 介质淀积 结束 金属化 平坦化 接触及通孔的形成 是否最后一层 钝化层淀积 是 否 平坦（面）化技术 化学机械抛光CMP 1）随着特征尺寸的减小，受到光刻分辨率的限制： R?，则l?和/或NA??DOF下降！！！ 例如： 0.25 mm 技术节点时，DOF ? 208 nm 0.18 mm 技术节点时，DOF ? 150 nm ?0.25 mm 后，必须用CMP才能实现表面起伏度200 nm 必要性 2）可以减少金属在介质边墙处的减薄现象，改善金属互连性能 不平坦时的台阶覆盖问题 使用CMP之后 集成电路工艺原理 第十章 接触及互连原理 INFO130024.02 大纲 第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 接触与互连 第十一章 后端工艺与集成 第十二章 未来趋势与挑战 全局互连 （Al） 局部互连 （多晶硅, 硅化物, TiN） （IMD） 接触（contact）—金属和硅的结合部 通孔（via）—用于连接不同层的金属连线 金属间介质（IMD） 钝化层（passivation） （PMD） 后端工艺越来越重要 占了工艺步骤中大部分 影响IC芯片的速度 多层金属互连增加了电路功能并使速度加快 互连的速度限制可以作简单的估计 由全局互连造成的延迟可以表达为： 其中eox是介质的介电常数，K是边缘场效应的修正系数，r是金属线的电阻率 e 各种延迟 减小互连延迟的途径: 1）低电阻率金属(Cu) 2）low-k介质 电学、机械、热学、热力学及化学 1417 450-10000 Heavily doped p