第九章 后端工艺

Schottky Contact
第九章 后端工艺
集成电路工艺原理
形成欧姆接触的方式
低势垒欧姆接触
Al/p-Si势垒高度 0.4eV 一般金属和 P型半导体 的接触势垒较低
Al/N-Si势垒高度 0.7eV 需高掺杂欧姆接触

高掺杂欧姆接触
高复合欧姆接触
晶体缺陷和杂质在 半导体表面耗尽区起复合中心 作用
第九章 后端工艺 集成电路工艺原理
Al是主要的互连材料
- low resistivity 低电阻率 对硅和氧化硅黏附性好
- adheres well to Si and SiO2
- can reduce other oxides
可还原成氧化物
-can be etched and deposited using reasonable techniques 易于制备和刻蚀
可 以 简 单 估 计 互 连 引 起 的 延 迟 时 间
由于多层布线引起的延迟(上升时间)可估计为:
R是传输线的电阻，C是与传输线相关连的所有电容之和 这里Kox是氧化层的介电常数,KI和边缘场有关, 是互连线的电阻率
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集成电路工艺原理
对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连 (2) 金属和半导体形成低阻接触 (3) 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 (4) 对台阶的覆盖好 (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 第九章 后端工艺 集成电路工艺原理
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集成电路工艺原理
问题之三：大电流密度(0.1-0.5MA/cm2)下，有 显著的电迁移现象
• 当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离子将发 生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移，这种现象 称为金属电迁移 • 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，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
比接触电阻的单位 : 欧姆.cm2 接触电阻 R=Rc/S
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集成电路工艺原理
金属化层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触， 也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂 浓度及金－半接触的势垒高度
Ohmic Contact
metal
Heavily doped N+ Si
metal N- Si
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纯Al金属化系统的不足：
熔点较低和较软
问题之一：
需熔点较高的材料作为 栅 电极( 自对准工艺）和局部 互连线掺杂多晶硅
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问题之二： 容易在Al中形成小丘和孔洞 由于Al中的应力和扩散造成
Heating places Al under compression
causing hillocks. Cooling back down can place Al under tension voids.
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解决方法：加入少量的Cu稳定晶界和减少小丘的形成
Adding few % Cu stabilizes grain boundaries and minimizes hillock formation.
为什么早期纯铝作为接触和互连线？
•电阻率低 •和硅和氧化硅的黏附性好
•和重掺杂硅有良好的电接触
•在退火过程，对消除Si－SiO2界面陷阱有促进作用
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特征电阻 Rc
衡量欧姆接触质量的参数是特征电阻Rc J 1 Rc V v0 定义：零偏压下的电流密度对电压偏微商 的倒数
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铝的电迁移
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金属化层因电迁移引起的平均失效时间MTF
A MTF exp 2 CJ KT
式中 A 金属条横截面积 (cm2) J 电流密度 (A/cm2) 金属离子激活能 (ev) k 玻尔兹曼常数 T 绝对温度 C 与金属条形状、结构有关的常数
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Undoped SiO2 often used above and below PSG or BPSG to prevent corrosion of Al .
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介质层（inter-metal dielectric）
SiO2－CVD（SiH4源)、PECVD SiO2（TEOS），SOG…
• BPSG: borophosphosilicate glass, reflows at 800°C.
SEM image of BPSG oxide layer after 800°C reflow step, showing smooth topography over step.
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互连以及门的延迟和芯片面积的关系
电路特征尺寸不断缩小,芯片面积变大 均使互连线延迟时间增加 第九章 后端工艺 集成电路工艺原理
随 互着 连集 延成 迟电 超路 过特 了征 器长 件度 门不 延断 迟减 少 第九章 后端工艺 集成电路工艺原理
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Intel 奔腾 III Merced （1999） 6层金属互连，0.18µ m工艺，集成晶体管数2500万个，连线总长 度达5km
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电路特征尺寸不断缩小 芯片引线数急剧增加
芯片内部连线长度迅速上升
金属布线层数不断增加
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解决Al Spike的问题
方法2
利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier ) – 常用扩散阻挡层：TiN, TiW， stable up to 500C 目前常用TiN淀积在 Ti上的双层结构，Ti和Si 形成TiSi2，接触好，而 TiN电阻率小，但接触 电阻较大。
图中硅化物TiSi2可用于；
1. 作为多晶硅栅上的连线 2. 作为和pn结的连线 3. 局部互连线
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Spacer
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自对准硅化物工艺
Salicide
Self-aligned silicide (“salicide”) process
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解决spiking问题的方法:
广泛采用的方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性,然而 当冷却时,会有硅的分凝并会增加c
方法1：TiSi2/TiN结构 较好的方法是采用阻挡层, Ti 或 TiSi2有好的接触和黏附性, TiN 可作为阻挡层
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解决电迁移现象的方法
• 在Al中加入 Cu (0.5-4 weight %) 可以消除电迁移 • 通常在Al中加入 1-2 wt % Si 和0.5-4 wt % Cu.
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进一步的发展是采用其他低电阻率材料作为局部互连， 如采用TiN 和 硅化物 ，silicides.
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早期的IC结构较现在 的要简单的多
多层金属互连 增加了电路功 能并使速度加 快
Local interconnects (polysilicon, silicides, TiN) versus global interconnects (usually Al).
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低介电常数材料必须满足诸多条件，例如：
足够的机械强度以支撑多层连线的架构 高杨氏系数 高击穿电压（>4 MV/cm） 低漏电（<10-9 A/cm2 at 1 MV/cm） 高热稳定性（>450 oC ） 良好的粘合强度 低吸水性 低薄膜应力 Low-k integration 高平坦化能力 低热涨系数以及与化学机械抛光工艺的兼容性 等等
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铝和硅接触的问题--- "spiking" problems
为了确保铝将Si表明的自然氧化层还原和铝和硅良好的物理 接触，要在450度和氢气中进行退火。然而在此温度，硅在铝中 的溶解度较大。 硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散， 形成孔洞 ,Al填充到孔洞,引起短路，因此结深大于2－3微米，是 不能采用纯铝工艺
集成电路工艺原理
• Backend processing is becoming more important.
• Larger fraction of total structure and processing. • Starting to dominate total speed of circuit.
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降低台阶高度，获得平坦形貌的工艺称平坦化工艺 第九章 后端工艺 集成电路工艺原理
平坦化是第一个问题－－如何解决下节讨论
平坦化 程度定义
Demonstration of Degree of Planarization
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电迁移是第二个问题
•Al的电迁移仍然是个问题，解决方法：在Al的上、下， 甚至中间加入分流金属层，如Ti,Ti-W,TiN和TiSi等。
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介质
Dielectrics
Dielectrics electrically and physically separate interconnects from each other and from active regions.
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集Hale Waihona Puke Baidu电路工艺原理
Two types: - First level dielectric - Intermetal dielectric (IMD)
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9.1 9.2 9.3 9.4 引言 接触 互连和通孔 介质
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互连材料的选择
1) 导电率高 2) 容易与P型和n型形成低阻欧姆接触 3) 与SiO2等介质粘附性好 4) 易于制备成薄膜 5) 易刻蚀 6) 易键合
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• First level dielectric is usually SiO2 “doped” with P or B or both (2-8 wt. %) to enhance reflow properties. • PSG: phosphosilicate glass, reflows at 950-1100°C
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9.1 9.2 9.3 9.4 引言 接触 互连和通孔 介质
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后端工艺技术 :
互连和介质
Backend technology: fabrication of interconnects and the dielectrics that electrically and physically separate them.
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9.1 9.2 9.3 9.4 引言 接触 互连和通孔 介质
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接触
早期结构是简单的AL/Si接触 Early structures were simple Al/Si contacts.
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集成电路工艺原理
有多种硅化物应用于集成电路工艺中
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集成电路工艺原理
多层金属互连问题面临新挑战
Multilevel metal interconnects posed new challenges.
早期集成电路是二层金属结构(1970-1980) 当金属互连层增加，不平整的形貌将会使 光刻、淀积和填充等成为严重问题
•分流层在多层布线中机械性能好且它的黏附性好，也是 好的阻挡层。
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集成电路工艺原理
目前集成电路多层布线技术中采用了上述工艺
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