6金属化与多层互连-unprotected

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导电薄膜
4、钛Ti：硅化钛、氮化钛
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（Antireflection coating），防止反射 提高光刻分辨率
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导电薄膜
5、钨W
• 接触孔和通孔中的金属塞 • 接触孔变得越来越小和越窄 • PVD Al合金: 台阶覆盖性差，产生空洞 • CVD W: 出色的台阶覆盖性和空隙填充能力 • CVD W：更高电阻率: 8.0~12 μΩ−cm PVD Al合金 (2.9 ~3.3 μΩ−cm) • W只用作局部互连和金属塞
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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－－Cu
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铜金属化（Copper Metallization）
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栅电极和金半接触电极
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CMP （Chemical Mechanical Polishing/ planarization ）--化学机械抛光
多层金属互连 介质层的平坦化 焦深要求平坦表面获得高分辨率 粗糙的介质表面会引起金属化问题
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钨CMP
W：形成金属塞 W CVD填充接触孔和通孔，覆盖整个圆片表面 需要从表面去除钨薄膜 以前：F基等离子体刻蚀 钨CMP替代刻蚀
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圆片工艺流程（Wafer Process Flow）
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金属化
定义：金属及金属性材料在集成电路技术中的应用 应用： －栅电极材料：MOSFET和MISFET器件的栅极 －金半接触电极材料：直接与半导体材料接触，提供与 外部相连的连接点 －互连材料：连接芯片内各独立元器件
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硅化物
2、硅化物
－电阻率比多晶硅更低， －常用TiSi2, WSi2和 CoSi2
Байду номын сангаас
TiSi2 and CoSi2
– Ar离子溅射去除本征氧化层（Ti或Co不与SiO2反应） – 淀积Ti或Co – 退火形成硅化物 – 湿法剥离去除未反应的Ti或Co – 二次退火（可选）提高电导率
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Cobalt Silicide: Process
Pre-deposition argon sputtering clean Cobalt sputtering deposition First anneal, 600 °C Co + Si → CoSi Strip Unreacted cobalt Second anneal, 700 °C Co + Si → CoSi2
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自对准形成硅化钛
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导电薄膜
3、铝（Al）
最常用的金属 导电性第四好的金属 – 铝 2.65 μΩ−cm – 金 2.2 μΩ−cm – 银 1.6 μΩ−cm – 铜 1.7 μΩ−cm 1970s中期以前用作栅电极金属
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常用的金属及金属性材料
常用的金属材料： Al、Cu、Pt、Au、W、Mo、Ti、Co、Ta等 常用的金属性材料： 掺杂的poly-Si； 金属硅化物--PtSi、TiSi、CoSi2、WSi2； 金属合金--AlSi、AlCu、AuCu、CuPt、 TiB2 、 SiGe 、 ZrB2 、 TiC、 MoC、TiN。
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金属化总结
金属化主要应用: 互连 CVD (W, TiN, Ti)和PVD (Al-Cu, Ti, TiN) Al-Cu合金在互连材料中占有主要地位 Al-Cu PVD需要超高真空 W 作为接触孔和互连通孔的金属塞 Ti 作为不同金属间的焊接层 TiN: 阻挡层、黏附层和防反射涂层 未来: Cu代替Al-Cu，Ta/TaN代替Ti/TiN
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Al-Si合金
在源/漏区Al与Si直接接触 Al/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（~1% ） Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中大40倍 Al/Si接触的尖楔现象： Si在Al中的溶解度及快速扩散 PN结穿刺 – Al刺穿过掺杂PN结，使源/漏与衬底短路 400 ℃ 热退火在Si-Al界面形成Si-Al合金
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Cu互连及低K介质
问题的引出： 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
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Cu互连及低K介质
如何降低互连延迟： ρεl RC常数：表征互连线延迟，即 RC = 。 t m t ox ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数 ①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm； （Al，ρ=2.82μΩcm） ②低ε（K）的介质材料： ε<3.5
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集成电路对金属化的基本要求
1. 形成低阻欧姆接触； 2. 提供低阻互连线； 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。
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CMOS标准金属化
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少量铜与铝形成的合金将大大提供Al对电迁移的抵 抗， 铜作为Al晶粒间的粘合剂，防止Al晶粒因电子轰 击而迁移 Al-Cu (0.5%) 最常用 使用Al-Si-Cu 合金
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铝合金的淀积
PVD（物理气相淀积） –溅射Sputtering –蒸发Evaporation：热蒸发和电子束蒸发 CVD（化学气相淀积） – 二甲基氢化物 [DMAH, Al(CH3)2H] – 热处理
集成电路工艺基础
6、金属化与多层互连（薄膜淀 积、介质）
微电子学院 戴显英 2010 年9月
课程内容
1、引言 2、硅片制备与高温工艺（拉单晶、氧化、扩散） 3、薄膜生长（PVD和CVD） 4、掺杂技术（扩散、注入） 5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）
6、金属化与多层互连（薄膜淀积、介 质）
7、CMOS集成电路工艺流程 8、双极集成电路和BiCMOS的工艺集成
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Copper Deposition
PVD of seed layer ECP or CVD bulk layer Thermal anneal after bulk copper deposition – increase the grain size – improving conductivity
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尖楔现象
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PN结穿刺
(Junction spike)
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电迁移
Electromigration
电迁移：大电流密度下发生质量（离子/晶粒）输运。 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。 机理：在大电流密度作用下，导电电子与铝离子/晶粒发生 动量交换，使金属离子/晶粒沿电子流方向迁移。
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Cu互连工艺流程
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多层Cu互连
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导电薄膜
7、Tantalum钽 • Barrier layer • Prevent copper diffusion • Sputtering deposition 8、Cobalt钴 • Mainly used for silicide (CoSi2). • Normally deposited with a sputtering process • Cobalt silicide grain size: ~ 0.2 μm • Can’t be used for 0.18 um gate
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接触工艺的演变
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W钨 CVD
W原料：WF6 与SiH4反应形成成核层 W淀积：与H2反应 需要TiN层与氧化物黏附
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W Plug and TiN/Ti Barrier/Adhesion Layer
Jincheng Zhang
本章主要内容
金属化（Metallization）
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing/
Chemical Mechanical planarization ）
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要求
金属化的作用 三种最常用的金属及三种不同的金属化方法 Al栅及互连与多晶硅栅及互连 Cu互连及互连延迟 W塞及TiN CMP：必要性及应用
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电迁移
Electromigration
电迁移使金属线变窄变薄 残留引线中电流密度更高
– 使电子轰击加剧，引起进一步Al晶粒的迁移， 甚至使金属线断裂
电迁移影响IC的可靠性
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