第九章金属化与多层连接1

9.2.4 Al/Si接触的改进
1 Al－Si合金金属化引线
采用铝硅合金代替纯铝作为接触和互连材料， 防止尖楔现象。
问题：出现分凝现象。即，在较高合金退火温 度时熔解在铝中的硅，在冷却过程中又从铝中析出。 该现象产生一个个硅单晶的结瘤。影响器件的 可靠性，有可能导致互连线短路。
2 铝－掺杂多晶硅双层金属化结构
金属势垒层材料(阻挡层金属)选择要求：保形的通 孔和沟槽淀积性能；好的势垒性能；低的通孔电阻；与 铜有好的黏附性；与铜的CMP工艺兼容。如：WN、TiN
9.3.5 金属Cu的淀积技术
采用大马士革（镶嵌）工艺进行Cu布线。 过程与上述相似。
9.3.6 低K介质和Cu互连集成技术中的可靠性问题
可靠性问题涉及：电迁移、应力迁移、热循 环稳定性、介电应力、热导率。
2 中值失效时间
表征电迁移现象的物理量是互连引线的中值失效 时间MTF(media time to failure),即50％互连引线 失效时间，其值正比于引线截面积，反比于质量输 运率
3 改进电迁移的方法
1） 结构的影响和“竹状”结构的选择
MTF随着铝线宽度的减小和长度的增加而降
低。
“竹状”铝引线 结构，组成多晶 体的晶粒从下而 上贯穿引线截面， 晶粒间界垂直于 电流的方向，所 以晶粒间界的扩 散不起作用。
第九章 金属化与多层互连
9.1 引言
金属化：金属及金属材料在集成电路技术中的应用。
根据金属在集成电路中的功能划分，可以分为三类：
互连材料——将同一芯片的各个独立的元器件连接成蚀，好的抗电迁移 特性。
互连连线是金属化工艺的主要组成部分；
大部分使用铜铝合金；
R ( l ) /(wtm )
C (wl) / tox
RC
l
2
t m t ox
铜互连工艺关键技术：
1 金属铜的淀积技术
2 低K介质材料的选择和淀积技术
3 势垒层材料的选择和淀积技术
4 铜的CMP(化学机械抛光）平整化技术
5 互连集成工艺中的清洁工艺
6 大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺
铝硅不能形成硅化物，但 可以形成合金。
铝在硅中的熔解度低。 硅在铝中的熔解度高， 因此硅原子会熔到铝中。
2) Si在Al中的扩散系数
硅在铝薄膜中的扩散系数比在晶体铝中约大 40倍。 因铝膜多为多晶，杂质在晶粒间界的扩散系数 大于晶体内的扩散系数。
3）Al与SiO2的反应
铝与二氧化硅生成Al2O3,这个现象在集成电路 中的应用十分重要。
当消耗的硅的厚度大到一定程度，由铝填充后，就会 导致PN结短路。
实际情况，硅在接触孔内并不是均匀消耗，实际消耗 硅的面积远远小于实际接触面积，这样使消耗深度Z 远大于均匀深度。铝就在某些接触点，像尖钉一样楔 进到Si衬底中去，使PN结失效。
影响“尖楔”深度和形状因素：
1 铝硅界面的氧化层厚度。（氧化层厚度薄，深 度浅（均匀消耗）；氧化层厚度厚，深度深（不均匀 消耗）。 2 硅衬底的影响。（100）垂直扩散，容易PN结 短路；（111）横行扩展，尖楔多半为平底。
为了使铝引线能生长为“竹状”结构，就要 求在合金退火之前进行光刻，使金属化引线条宽 很窄，有助于铝晶粒垂直生长，使之形成“竹状” 结构。 2） Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金
在铝中附加合金成分，这些杂质在铝的晶粒间界分凝可 以降低铝原子在铝晶粒间界的扩散系数，从而提高MTF。
Al-Si-Cu合金缺点：会增加电阻率，不易刻蚀。
7 低K介质和铜互连技术的可靠性问题。
9.3.2 以铜作为互连材料的工艺流程
1 在前层的互连层平面上淀积一层薄的刻蚀停止层，如Si3N4
Si3N4
2 淀积厚的介质（绝缘）层材料，如SiO2或低K介质
SiO2
3 形成刻蚀引线沟槽的光刻胶掩膜图形
光刻胶
4 以光刻胶作为掩膜在介质层上刻蚀引线沟槽
光刻胶
钨插塞是80与90年代技术；
Ti焊接层；
TiN,阻挡、附着层；
未来使用铜；
接触材料——直接与半导体接触的材料，以及提供与外 部连接的连接点。（接触孔（Contact）、通孔 （ via）)
要求好的接触界面性和稳定性、接触电阻要小、在 半导体中的扩散系数要小，好的化学稳定性。
MOSFET栅电极材料——作为MOSFET器件的一个组成 部分，对器件的性能起着重要作用。 要求与栅氧化层之间具有良好的界面特性和稳定性； 合适的功函数。
S
G
D
S
G
D
金属栅
硅栅
9.4.1 多晶硅薄膜的制备方法
采用LPCVD方法，温度600～650℃，用硅 烷热分解淀积。
SiH4－> Si + 2H2
9.4.2 多晶硅互连及其局限性
电阻率过高，只能用作局部互连。
9.4.3 多晶硅氧化
单晶硅氧化模型同样适用于多晶硅的氧化 情况。
多晶硅是由许多大小不等、晶向不同的晶 粒所组成，因此存在晶粒间界。晶粒间界是一 个具有高密度缺陷和悬挂键的区域。由于各个 晶粒之间的晶向不相同 ，氧化后，使多晶硅表 面上的氧化层厚度存在差别（线性氧化决定）。 但对于厚膜氧化，氧化速率差异就会消失，这 由抛物线氧化决定，与晶向无关。
9.1.1 晶格结构和外延生长特性的影响
使薄膜和衬底材料晶格结构匹配，选用晶格常 数失配因子小的材料（合金材料)。 采用外延生长消除缺陷，得到异质外延薄膜 （肖特基二极管）。
9.1.2 电学特性
考虑电阻率、电阻率的温度系数、功函数，与半 导体接触的肖特基势垒高度。
9.1.3 机械特性、热力学特性以及化学特性
9.4 多晶硅及硅化物 多晶硅可作为CMOS工艺中的栅材料和作为局 部互连材料。 多晶硅栅技术最主要特点就是源漏自对准。 硅栅的制造过程是先生长栅氧化层，紧接着淀积多 晶硅，光刻成栅极，然后以多晶硅栅和其下面的 SiO2绝缘层作为扩散（或离子注入）掩蔽层，扩散 或离子注入，形成源漏区，同时又对多晶硅栅极和 多晶硅互连引线进行掺杂、因而实现了源、栅、漏 的自动排列，去除了铝栅工艺中为保证完全覆盖源、 漏区而设计的套刻所引起的栅－源、栅－漏的重叠 部分，只存在横行扩散效应引起的重叠。
阻挡层结构可以显 著减小漏电流。
9.2.5 电迁移现象及其改进方法 1 电迁移现象的物理机制 所谓电迁移现象，就是一种在大电流密度作用下的质量输 运现象。
质量输运是沿电子流方向进行的，结果在一个方向形成空 洞，而在另一个方向由于铝原子的堆积形成小丘。在互连线中会引 起开路与短路两种现象。
电迁移本质是导体原子与通过该导体电子流之间的相互作用， 当一个铝金属离子被热激发处于晶体点阵电位分布的谷顶的时候， 它将受到两个方向相反的作用力：A) 静电作用力，方向沿着电场 （电流）的方向。 B)由于导电电子与金属原子之间的碰撞引起的 相互间的动量交换，称之为“电子风”，方向沿电子流方向。
9.1 集成电路对金属化材料特性的要求 1 较低的欧姆接触电阻，能提供低阻的互连线；
2 抗电迁移性能要好；
3 与绝缘体有良好的附着性；
4 耐腐蚀；
5 易于淀积和刻蚀；
6 易于键合，而且键合点能经受长期工作。
7 多层互连要求层与层之间的绝缘性要好，不相 互渗透和扩散，即要求有一个扩散阻挡层。
5 去光刻胶
6 形成刻蚀通孔的光刻胶掩膜图形
7 刻蚀通孔，停在刻蚀停止层
8 去掉光刻胶
9 去掉刻蚀停止层
10 溅射金属势垒和Cu籽晶层
11 金属填充通孔
12 CMP金属层
9.3.3 低K介质层材料和淀积技术
采用低K互连介质可以在不降低布线密度的条件下，有效降低 寄生电容C,减少RC互连延迟时间，提高速度。
5 化学气相淀积硅化物。
9.4.6 硅化物的形成机制
真正要形成硅化物,还必须有一个高温加热过 程即退火过程,使金属与硅反应生成硅化物.
自对准硅化钛形成
9.4.7 硅化物特性 硅化物晶体结构基本有三种结构：四方、六 方、正交晶系。 硅化物具有良好的导电性，导电机构类似于 金属,其电导率一般 比相应金属低。
考虑金属薄膜在衬底中的扩散，与衬底间的固 有应力，表面张力、热应力。 注：热应力导致互连线出现空洞，电迁移也与 应力有关。
9.2 铝在集成电路技术中的应用
铝的优点：
电阻率低、欧姆接触电阻低；
与硅和磷硅玻璃的附着性好；
易于淀积和刻蚀。
9.2.1 金属铝膜的制备方法
采用溅射法制备（PVD)
9.2.2 Al/Si接触中的几个 物理现象 1） Al-Si相图
9.4.8 硅化物的氧化
硅化物可用在集成电路栅和互连材料关键因素之 一是因为难熔金属硅化物能氧化成稳定、致密的氧化层。 难熔金属硅化物的氧化是硅原子扩散通过硅化物， 在硅化物－SiO2界面氧化成SiO2，其过程如下： 1） 硅衬底释放硅原子的反应过程； 2） 由硅衬底提供的硅原子扩散通过硅化物层到达 硅化物－SiO2界面；
对低K介质刻蚀，要求：
1 与低K介质材料工艺兼容；
2 对刻蚀停止层材料有高的选择性；
3 能形成垂直图形； 4 对Cu无刻蚀和腐蚀； 5 刻蚀的残留物易于清洗。（清洗工艺有 干法和湿法两种）
9.3.4 势垒层材料技术 势垒层包括介质势垒层和导电势垒层两种。 主要功能：防止铜扩散和改善铜的附着性、作为 CMP和刻蚀工艺的停止层、保护铜薄膜和低K介质层不 受工艺和环境等因素造成的氧化和腐蚀等效应。 介质势垒层材料选择要求：介电常数要低、刻蚀选 择性和抗扩散性能好。如SiC
3 ) 氧化剂分子扩散通过已生成的SiO2层；
4）氧化剂在硅化物－SiO2界面上与硅原子反应生 长SiO2.
9.4.9 多晶硅/硅化物复合栅结构 难熔金属硅化物/多晶硅双层结构在栅和内部互连的 应用中可使互连电阻降低； 硅化物接触电阻率低；