金属化与多层互连.ppt

集成电路制造技术

第九章金属化与多层互连西安电子科技大学微电子学院戴显英2010年3月金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。金属化材料分类：（按功能划分）MOSFET栅电极材料－MOSFET器件的组成部分；互连材料－将各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模块。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。第九章金属化与多层互连互连材料－Interconnection互连在金属化工艺中占有主要地位Al-Cu合金最为常用W塞（80s和90s）Ti：焊接层TiN：阻挡、黏附层未来互连金属－－CuCMOS标准金属化TiN的作用TiN：阻挡层，防止W扩散TiN：粘合层，帮助W与SiO2表面粘合在一起TiN：防反射涂层ARC（Anti-reflectioncoating），防止反射提高光刻分辨率第九章金属化与多层互连常用金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等常用的金属性材料：掺杂的poly-Si；金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2；金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、TiB2、SiGe、ZrB2、TiC、MoC、TiN。集成电路对金属化的基本要求形成低阻欧姆接触；提供低阻互连线；抗电迁移；良好的附着性；耐腐蚀；易于淀积和刻蚀；易键合；层与层之间绝缘要好。9.2Al的应用电阻率：Al为2.7μΩ/cm，（Au2.2μΩ/cm，Ag1.6μΩ/cm，Cu1.7μΩ/cm）Al合金为3.5μΩ/cm；溶解度：Al在Si中很低，Si在Al中相对较高，如400℃时，0.25wt%；450℃时，0.5wt%；500℃时，0.8wt%；Al-Si合金退火：相当可观的Si溶解到Al中。9.2.2Al/Si接触的物理现象①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低；Si在Al中的溶解度相对较高：②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中大40倍。③Al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。9.2.3Al/Si接触的尖楔现象图9.3Al-Si接触引线工艺T=500℃，t=30min.，A=16μm2，W=5μm，d=1μm，消耗Si层厚度Z=0.35μm。（相当于VLSI的结深）∵Si非均匀消耗，∴实际上，A*A，即Z*Z，故Al形成尖楔尖楔现象机理：Si在Al中的溶解度及快速扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬底；深度：超过1μm；特点：111衬底：横向扩展100衬底：纵向扩展MOS器件突出。改善：Al中加1wt％-4wt％的过量Si。9.2.5电迁移现象及改进电迁移：大电流密度下，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。现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。改进电迁移的方法a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。b.Al-Cu/Al-Si-Cu合金：Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界的扩散系数。c.三层夹心结构：两层Al之间加一层约500?的金属过渡层，如Ti、Hf、Cr、Ta。d.新的互连线：Cu问题的引出：9.3Cu及低K介质互连线延迟随器件尺寸的缩小而增加；亚微米尺寸，互连延迟大于栅（门）延迟如何降低