硅集成电路工艺基础9

第九章金属化与多层互连

金属及金属性材料在集成电路技术中的应用被称为金属化。

按其在集成电路中的功能划分，金属材料可分为三大类：

¾MOSFET栅电极材料：早期nMOS集成电路工艺中使用较多的是铝栅，目前CMOS集成电路工艺技术中最常用的是多晶硅栅。

¾互连材料：将芯片内的各独立元器件连接成具有一定功能的电路模块。铝是广泛使用的互连金属材料，目前在ULSI中，铜互连金属材料得到了越来越广泛的运用。

¾接触材料：直接与半导体接触，并提供与外部相连的连接点。铝是一种常用的接触材料，但目前应用较广泛的接触材料是硅化

)等。

物，如铂硅(PtSi)和钴硅(CoSi

2

集成电路中使用的金属材料，除了常用的金属如Al，Cu，Pt，W 等以外，还包括重掺杂多晶硅、金属硅化物、金属合金等金属性材料。

9.1、集成电路对金属化材料特性的要求

¾与n+，p+硅或多晶硅能够形成欧姆接触，接触电阻小；

¾长时期在较高电流密度负荷下，抗电迁移性能要好；

¾与绝缘体（如SiO

）有良好的附着性；

2

¾耐腐蚀；

¾易于淀积和刻蚀；

¾易于键合，而且键合点能经受长期工作；

¾多层互连要求层与层之间绝缘性好，不互相渗透和扩散。

9.1.1、晶格结构和外延生长特性的要求

金属材料特性与其晶格结构有关，集成电路中金属薄膜：¾外延生长

¾单晶膜

具有最理想的特性。

采用外延生长可以消除缺陷，晶体结构好，提高金属薄膜的性能，降低电阻率和电迁移率，得到良好的金属/半导体接触或金属/绝缘体接触界面。

9.1.2、电学特性

金属材料在集成电路中应用时，须考虑的电学性能主要包括电阻率、电阻率的温度系数(TCR)、功函数、与半导体接触的肖特基势垒高度。

对于接触材料和栅电极材料，其功函数、与半导体材料的肖特基势垒高度和接触电阻是非常重要的参数。

9.1.3

，通过优化生长过程可以减小。

应力的存在对互连体系可靠性产生严重影响，应力可导致互连线出现空洞，互连材料的电迁移也与应力的存在有关。

多层薄膜体系的应力可以通过淀积生长适当的覆盖层来减弱，若第一层薄膜受张应力，当覆盖层为受压应力时，经过退火后应力转移，主要集中在覆盖层，而原有薄膜所受应力减小。选择合适的覆盖层对减小薄膜中的应力非常重要。

除了应力之外，金属材料在半导体材料中的扩散、材料的热力学特性以及化学反应特性在互连材料的选取以及结构设计时都是必须考虑的问题。

铝是一种经常被采用的金属互连材料，主要优点是:

¾在室温下的电阻率仅为2.7μΩ·cm ；

¾与n +、p +硅或多晶硅的欧姆接触电阻可低至10-6Ω/cm 2；

¾与硅和磷硅玻璃的附着性很好；

¾经过短时间热处理后，与SiO 2、Si 3N 4等绝缘层的黏附性很好；¾易于淀积和刻蚀。

9.2、铝在集成电路技术中的应用

铝应用于集成电路中的互连引线，主要是采用溅射方法制备，淀积速率快、厚度均匀、台阶覆盖能力强。

9.2.1、金属铝膜的制备方法

9.2.2、Al/Si接触中的几个物理现象

(1)Si在Al中的扩散

Si在Al中的溶解度比较高，在Al与Si接触处，在退火过程中，会有大量的Si原子溶到Al中。溶解量不仅与退火温度下的溶解度有关，还与Si在Al中的扩散情况有关。

在400-500℃退火温度范围内，Si在Al薄膜中的扩散系数比在晶体Al中大40倍。这是因为Al薄膜通常为多晶，杂质在晶界的扩散系数远大于在晶粒内的扩散系数。

(2) Al 与SiO 2的反应

Al 与SiO 2反应对于Al 在集成电路中的应用十分重要：

¾Al 与Si 接触时，可以“吃”掉Si 表面的自然氧化层，使Al/Si 的欧姆接触电阻降低；

¾Al 与SiO 2的作用改善了集成电路中Al 引线与下面SiO 2的黏附性。3

222343O Al Si Al SiO +→+

9.2.3

、Al/Si 接触中的尖楔现象

宽度为w ，厚度为d 的铝引线，与硅接触的接触孔

面积为A ，如图所示。

尖楔现象：由于硅在铝中的溶解度较大，在Al/Si 接触中，Si 在Al 膜的晶粒间界中快速扩散离开接触孔的同时，Al 也会向接触孔内运动、填充因Si 离开而留下的空间。如果Si 在接触孔内不是均匀消耗，Al 就会在某些接触点，像尖钉一样楔进Si 衬底中去，如果尖楔深度大于结深，就会使pn 结失效，这种现象就是Al/Si 接触中的尖楔现象。

Al

重量百分数)。

影响尖楔深度和形状的因素

1. Al-Si界面的氧化层厚度

¾如果氧化层厚度比较薄，由于Al膜可以“吃”掉薄的SiO

，使Al/Si作用

2面积较大，尖楔深度比较浅。

¾如果氧化层厚度比较厚，Al/Si作用面只限于几个点，尖楔深度较深。

2. 衬底晶向对尖楔的形貌有影响

¾双极集成电路采用(111)硅衬底，由于(111)面原子面密度大，面间距大，尖楔倾向于横向扩展。

¾MOS集成电路采用(100)硅衬底，尖楔倾向于垂直扩展，更容易使pn结短路。

9.2.4、Al/Si 接触中的改进

¾析出Si 逐步增大成为结瘤，大电流通过互连引线时，结瘤处发生明显升温，甚至导致互连引线失效。

¾析出的Si 原子是p 型重掺杂(Al 是硅的受主杂质)，如果是在n 型硅与金属之间制作欧姆接触，就等于在Al 和n 型硅之间增加一个p +-n 结，使欧姆接触电阻增大，而对于肖特基结的情况，则将增加其有效的势垒高度。¾Si 在Al-Si 表面上的析出淀积，将使引线键合变得困难。

1、Al-Si 合金金属化引线

为了解决Al 的尖楔问题，在纯Al 中加入硅至饱和，形成Al-Si 合金，代替纯Al 作为接触和互连材料。一般为1wt%。

但是，在较高合金退火温度时溶解在Al 中的硅，冷却过程中又从Al 中析出。硅从Al-Si 合金薄膜中析出是Al-Si 合金在集成电路中应用的主要限制: