第十章金属化与平坦化
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
铜、金及银的电阻率比铝稍低，可以减少信号的 延迟，提高芯片的工作速度。然而铜和银都比较 容易腐蚀，在硅和二氧化硅中有高的扩散率，这 些都阻止它们被用于半导体制造。在21世纪制造 高性能IC工艺中，铜互连金属有望取代铝。
15
铝互连
Via-4
Top Nitride
ILD-6
Metal-4 ILD-5
第十章 金属化与平坦化
1
概述
金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上 淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线和 集成电路的孔填充塞的过程。金属线被夹在 两个绝缘介质层中间形成电整体
随着电子工业的迅速发展，工艺技术快速进 步，已达到极大规模集成电路（ULSI）阶段。 而金属化（Metallization）成为一个极为重 要的关键步骤
Al-Si系统一般合金温度为450o－500
18
金属和硅接触的问题---
尖峰现象"spiking" problems 硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下 空洞 ,Al填充到孔洞,引起短路
19
解决spiking问题的方法
一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性 另一种方法是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )
需高掺杂欧姆接触
11
12
10.2合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成 低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附 着力
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
13
硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅
在半导体制造业中，最早的互连金属是铝，目前 在VLSI以下的工艺中仍然是最普通的互连金属。
铝在20℃时具有2.65µΩ-cm的低电阻率，另一方 面，铝能够很容易和二氧化硅反应，加热形成氧 化铝（AL2O3），这促进了氧化硅和铝之间的附着。 还有铝容易淀积在硅片上。基于这些原因，铝仍 然作为首先的金属应用于金属化。
Metal-3 ILD-4
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
16
欧姆接触
为了在金属和硅之间形成欧姆接触，可 通过加热完成。（通常在惰性气体或还 原的氢气环境中，在400～500℃进行， 此过程也被称为低温退火或烧结）
Ohmic Contact
metal N- Si
Schottky Contact
10
10.1 形成欧姆接触的方式
低势垒欧姆接触 一般金属Al和/pP-S型0i.势4半e垒V导高度体 的接触势垒较低
高复合欧姆接触半在导半体导表体面表的面晶耗体尽缺区陷中和起高复复合合中中心心作杂用质
高掺杂欧姆接触Al/N-Si势垒高度 0.7eV
2
互连金属
3
4
在微电子工业硅晶集成电路中金属薄膜主要用于 1.欧姆接触（Ohmic Contact） 2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact） 3.低阻栅电极（Gate Electrode） 4.器件间互联（interconnect）
5
对IC金属化系统的主要要求
当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现 象会被显著的改善。
欧姆接触用特殊的难熔金属（以硅化物 形式出现的钛），在硅表面作为接触以 减小电阻、增强附着（见下图）。
17
欧姆接触结构
Oxide
阻挡层金属 铝、钨、铜等
Gate
Sourceห้องสมุดไป่ตู้
欧姆接触
Drain
在300oC以上，硅就以一定比例熔于铝中，在此温 度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成一层很 薄的Al-Si合金。Al通过Al-Si合金和接触孔下的 重掺杂半导体接触，形成欧姆接触
通孔（via）：通过各种介质层从某一金属层到相邻 的另一金属层形成电通路的开口
“填充薄膜”是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金 属层之间形成电连接。
层间介质（ILD）是绝缘材料，它分离了金属之间的 电连接。ILD一旦被淀积，便被光刻成图形、刻蚀以 便为各金属层之间形成通路。用金属（通常是钨 W） 填充通孔，形成通孔填充薄膜。
7
接触
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
8
金属层和硅衬底形成什么接触？
9
金属层和硅衬底的接触，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
metal
Heavily doped N+ Si
常用扩散阻挡层：TiN, TiW
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
20
电迁移(electromigration)现象
电流携带的电子把动量转移给导电的金属 原子，使其移动，金属形成空洞和小丘
小丘短接的两条金属线
金属线中的空洞
21
铝铜合金
由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性， 因此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所 周知的电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒， 在金属表面金属原子堆起来形成小丘（如图所示） 如果大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的 连线有可能短接在一起。
(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
6
金属化的几个术语
接触（contact）：指硅芯片内的器件与第一层金属 层之间在硅表面的连接
互连（interconnect）：由导电材料，(如铝，多晶 硅或铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分
铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
14
金属铝
15
铝互连
Via-4
Top Nitride
ILD-6
Metal-4 ILD-5
第十章 金属化与平坦化
1
概述
金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上 淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线和 集成电路的孔填充塞的过程。金属线被夹在 两个绝缘介质层中间形成电整体
随着电子工业的迅速发展，工艺技术快速进 步，已达到极大规模集成电路（ULSI）阶段。 而金属化（Metallization）成为一个极为重 要的关键步骤
Al-Si系统一般合金温度为450o－500
18
金属和硅接触的问题---
尖峰现象"spiking" problems 硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下 空洞 ,Al填充到孔洞,引起短路
19
解决spiking问题的方法
一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性 另一种方法是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )
需高掺杂欧姆接触
11
12
10.2合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成 低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附 着力
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
13
硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅
在半导体制造业中，最早的互连金属是铝，目前 在VLSI以下的工艺中仍然是最普通的互连金属。
铝在20℃时具有2.65µΩ-cm的低电阻率，另一方 面，铝能够很容易和二氧化硅反应，加热形成氧 化铝（AL2O3），这促进了氧化硅和铝之间的附着。 还有铝容易淀积在硅片上。基于这些原因，铝仍 然作为首先的金属应用于金属化。
Metal-3 ILD-4
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
16
欧姆接触
为了在金属和硅之间形成欧姆接触，可 通过加热完成。（通常在惰性气体或还 原的氢气环境中，在400～500℃进行， 此过程也被称为低温退火或烧结）
Ohmic Contact
metal N- Si
Schottky Contact
10
10.1 形成欧姆接触的方式
低势垒欧姆接触 一般金属Al和/pP-S型0i.势4半e垒V导高度体 的接触势垒较低
高复合欧姆接触半在导半体导表体面表的面晶耗体尽缺区陷中和起高复复合合中中心心作杂用质
高掺杂欧姆接触Al/N-Si势垒高度 0.7eV
2
互连金属
3
4
在微电子工业硅晶集成电路中金属薄膜主要用于 1.欧姆接触（Ohmic Contact） 2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact） 3.低阻栅电极（Gate Electrode） 4.器件间互联（interconnect）
5
对IC金属化系统的主要要求
当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现 象会被显著的改善。
欧姆接触用特殊的难熔金属（以硅化物 形式出现的钛），在硅表面作为接触以 减小电阻、增强附着（见下图）。
17
欧姆接触结构
Oxide
阻挡层金属 铝、钨、铜等
Gate
Sourceห้องสมุดไป่ตู้
欧姆接触
Drain
在300oC以上，硅就以一定比例熔于铝中，在此温 度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成一层很 薄的Al-Si合金。Al通过Al-Si合金和接触孔下的 重掺杂半导体接触，形成欧姆接触
通孔（via）：通过各种介质层从某一金属层到相邻 的另一金属层形成电通路的开口
“填充薄膜”是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金 属层之间形成电连接。
层间介质（ILD）是绝缘材料，它分离了金属之间的 电连接。ILD一旦被淀积，便被光刻成图形、刻蚀以 便为各金属层之间形成通路。用金属（通常是钨 W） 填充通孔，形成通孔填充薄膜。
7
接触
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
8
金属层和硅衬底形成什么接触？
9
金属层和硅衬底的接触，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
metal
Heavily doped N+ Si
常用扩散阻挡层：TiN, TiW
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
20
电迁移(electromigration)现象
电流携带的电子把动量转移给导电的金属 原子，使其移动，金属形成空洞和小丘
小丘短接的两条金属线
金属线中的空洞
21
铝铜合金
由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性， 因此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所 周知的电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒， 在金属表面金属原子堆起来形成小丘（如图所示） 如果大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的 连线有可能短接在一起。
(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
6
金属化的几个术语
接触（contact）：指硅芯片内的器件与第一层金属 层之间在硅表面的连接
互连（interconnect）：由导电材料，(如铝，多晶 硅或铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分
铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
14
金属铝