金属化和多层互连

铝的基本资料
名稱 符號 原子序 原子量 發現者 發現地點 發現日期 名稱來源 固體密度 摩爾體積 音速 硬度 電阻係數 反射率 熔點 沸點 熱傳導係數 線性熱膨脹係數 蝕刻物 (濕) 蝕刻物 (乾) CVD 源材料 鋁 Al 13 26.981538 漢克 克里斯汀 奧斯特德 丹麥 1825 源自拉丁字 "alumen"，指明礬 2.70 g/cm3 10.00 cm3 5100 m/sec 2.75 2.65 mWcm 71% 660 C 2519 C 235 W m-1 K-1 23.110-6 K-1 H3PO4, HNO4, CH3COOH Cl2, BCl3 Al(CH3)2H
多晶硅及金属硅化物


多晶硅可作为互连引线； 电阻率：多晶硅>难熔金属硅化物>难熔金 属>Al>Cu 当电路的特征尺寸小于2mm时，掺杂多晶 硅就不适用作互连材料。必须采用比多晶 硅低得多的电阻率，而同时又能保持多晶 硅原有的工艺兼容性的材料。
多晶硅及金属硅化物
金属硅化物 金属硅化物的电阻率比多晶硅低得多（约十分之 一） 高温稳定性好 抗电迁移能力强 可在多晶硅上直接沉积难熔金属制备，与现有硅 栅工艺兼容 TiSi2, WSi2, MoSi2和 CoSi2等适合作栅和互连材 料；PtSi和PdSi2则主要用于作欧姆接触材料。
铜及低K介质
势垒层材料: 包括介质势垒层和导电势垒层 介质势垒层材料：ＳiＮ、ＳiＣ等新材料 主要功能:和介质层形成多层结构，防止介质 在工艺过程或环境中吸潮而影响性能。 导电势垒层：ＷＮ、ＴiＮ、Ｔa、ＴaＮ等 主要功能：防止Ｃu扩散、改善Ｃu的附着性、 作为ＣＭＰ和刻蚀停止层、作为保护层。
n+
n-
ＳiＯ２
nn+
nn+
Ｓ iＯ ２
nn+ n+
n-
Ｓ iＯ ２
n-
n+
Ｔi沉积
退火产生金属硅化物
湿法腐蚀Ｔi薄膜




自对准栅技术加离子注入可以大幅减小掺杂横向 效应引起的覆盖电容，提高工作频率。 多晶硅栅取代Ａl栅，由于栅与衬底Si的功函数差 减少，可以使PMOS的开启电压VT绝对值下降1.21.4V左右。 开启电压VTX降低后，器件充放电幅度降低，时间 缩短，从而也可提高工作频率。 开启电压VTX降低，整个电源电压和时钟脉冲电压 都可以降低，因而降低了IC功耗，提高集成度。
形成欧姆接触的方式

低势垒欧姆接触：一般金属和P型半导体 的接触势垒较低 高复合欧姆接触 高掺杂欧姆接触


金属化材料
Al Cu 高熔点金属（W、Mo、Ta、Ti等） 多晶硅 金属硅化物（WSi2、 MoSi2、TiSi2等） 此外，还要考虑介质材料，阻挡层，垫层等。

Al在IC中的应用
当金属与半导体之间的载流子输运以隧道 穿透为主时，Rc与半导体的掺杂浓度N及 金－半接触的势垒高度qVb 有下面的关系
qVb Rc exp N
qVb在数值上等于金属费米能级上的电子 进入半导体所需的能量。 结论：要获得低接触电阻的金－半接触， 必须减小金－半接触的势垒高度及提高半 导体的掺杂浓度
其中涉及到大量相关工艺和技术的应用，应变 硅，绝缘硅，仅有5个原子层厚、1.2nm氧化物 栅极，“睡眠晶体管”技术等等。
铜及低K介质
大马士革（镶嵌式）工艺： 不同与Al互连，Cu互连工艺中缺乏合适的Cu刻蚀工艺， 因此采用大马士革（镶嵌式）方法。 工艺步骤： （1）沉积刻蚀阻挡层 （2）沉积介质层 （3）光刻制备引线沟槽 (4)光刻制备接触孔 （5）溅射势垒层和籽晶层 （6）沉积Cu金属层 （7）CMP金属层
多晶硅及金属硅化物
多晶硅及金属硅化物
多晶硅： 栅极与局部互连材料 1970年代中期取代Ａl而成为栅极材料 具高温稳定性
• 离子注入后的高温退火所必须的 • 源漏自对准特性

重掺杂 LPCVD沉积
Ti
Ti TiSi2 多晶硅栅极 多晶硅栅极 TiSi2 TiSi2 多晶硅栅极 TiSi2
多晶硅/硅化物复合栅结构
TiSi
2
TiSi 多晶硅栅极
2
n n
+
-
n
-
Ｓ iＯ ２
估计0.07 µm工艺，一个微处理器需10层金 属互连，连线总长度达10km
铜及低K介质

RC常数： 互连引线的延迟时间以RC常数来表征。
l wl l2 RC R C ( ) ( ) wtm tox tmtox
其中，l为引线长度，w为引线宽度，tm为引 线厚度，tox为介质层厚度。 从中可以看出，采用低电阻率的互连材料和 低介电常数的介质材料可以有效降低互连系统的 延迟时间。

Ti/TiN
TiN, ARC 金屬1, Al•Cu
Ti源自文库i2
W STI
n+ n+ P型井區
BPSG USG
p+ p+ N型井區
P型磊晶層 P型晶圓
金属化对材料的要求
(1)好的界面特性（粘附性、界面态等） •High speed (2)热、化学稳定性 (3)电导率高 •High reliability (4) 抗电迁移性强 •High density (5)接触电阻小 (6) 易加工（沉积、刻蚀、键合） (7) 多层间绝缘性好（扩散阻挡层）

Al金属化存在的问题： （1）大电流密度下，有显著的电迁移现象 （2）高温下，Al和Si、SiO2会发生反应， 产生“尖锲”现象。
（1）电迁移 Al为多晶材料，包含很多单晶态晶粒。 大电流密度下，Al原子沿电流方向的定向 迁移，多沿晶粒边界。 电迁移造成短路或断路，造成器件失效， 影响IC可信度。
Al-Si系统一般合金温度为450－500 oC
Al/Si接触的改善

Al-阻挡层结构：在Al与Si之间沉积一层薄 阻挡层，限制Al“尖锲”现象。 希望阻挡层与Si有好的黏附性和低的欧 姆接触电阻，可以采用硅化物，如PtSi、 Pd2Si或CoSi2，也可采用Ti、TiN、TaN和 WN等。
铜及低K介质
Cu互连工艺中的关键技术： Cu的沉积技术 低K介质材料的选择和沉积 势垒层材料的选择和沉积技术 Cu的CMP平整化技术 大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺 可靠性问题
深亚微米技术的发展： 90nm、45nm线宽 300mm（12寸）晶圆

铜及低K介质 系统集成（SOC）
欧姆接触
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 取决于金属和半导体功函数的相对大小
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
比接触电阻的单位 : 欧姆.cm2 接触电阻 R=Rc/S
CoSi2
Ta 或 TaN Cu
W
W
PSG STI n+
+ + n+ p p USG P型井區 N型井區 P型磊晶層 P型晶圓
铜及低K介质
低K介质材料的沉积与刻蚀： 沉积工艺： （1）旋涂工艺：工艺简单，缺陷密度较低，产率高，易于 平整化，不使用危险气体 （2）CVD工艺：与IC工艺兼容性好 刻蚀要求： （1）工艺兼容性好 （2）对刻蚀停止层材料选择性高 （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除
铜及低K介质
金属化及多层布线的发展： 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
互连引线的延迟时间增加
Intel 奔腾 III Merced （1999） 6层金属互连，0.18µm工艺，集成晶体管数 2500万个，连线总长度达5km
Ti/TiN M1 Cu
SiN FSG FSG Cu
CoSi2
Ta 或 TaN Cu
W
W
PSG STI n+
+ + n+ p p USG P型井區 N型井區 P型磊晶層 P型晶圓
铜及低K介质
势垒层材料要求： 介质势垒层：要求介电常数低，SiN （7.8）， SiC（4-6）。 金属势垒层： （1）好的台阶覆盖 （2）好的势垒特性 （3）低的通孔电阻 （4）与Cu有好的黏附性 （5）与Cu的CMP工艺兼容
铜及低K介质
铜及低K介质的优势：


铜的电阻率低，可以极大降低互连引线电阻； Cu 1.7 mWcm Al 2.65 mWcm 铜的抗电迁移能力强，没有应力迁移，可靠性强； 低K介质，减少了分布电容； 所以，采用铜及低K介质可以进一步减小引线宽度和 厚度，提高集成电路的密度。
铜及低K介质
鋁
p+ N型矽
SiO2
鋁
p+
鋁
Al/Si接触的改善

合 金 化 ： 采 用 含 少 量 Si 的 Al-Si 合 金 （ 一 般 为 1% ） , 由于合金中已存在足量的 Si ，可以抑制底 层Si的扩散，防止“尖锲”现象。 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
Al在IC中的应用

最常用的连线金属 第四佳的导电金属
• • • • Ag Cu Au Al 1.6 mWcm 1.7 mWcm 2.2 mWcm 2.65 mWcm

Al与SiO2反应： 4Al+3SiO22Al2O3+3Si 反应可以改善 Al/Si欧姆接触电阻；增强Al 引 线与SiO2的黏附性。
Ti/TiN M1 Cu
SiN FSG FSG Cu
CoSi2
Ta 或 TaN Cu
W
W
PSG STI n+
+ + n+ p p USG P型井區 N型井區 P型磊晶層 P型晶圓
铜及低K介质
低K介质材料要求： 介电常数K小于3.5（SiO2为3.9） 好的材料特性、热性能、介电性能和力学 性能 与其他互连材料，如Cu及势垒材料兼容 与IC工艺兼容 工艺成本低 能在特定条件下工作，稳定可靠
金属化与多层互连



金属化及其要求 Al在IC中的应用 Cu及低K介质的应用 多晶硅及金属硅化物 多层布线技术
金属化及其要求
金属化:金属及其他导电材料在IC中的应用。 金属材料的三大应用： （1）栅极材料——作为器件组成部分 （2）接触材料——与半导体材料接触，半 导体与外界的连接桥梁 （3）互连材料——连接各器件，形成电路
铜及低K介质
低K介质材料分类：


K=2.8-3.5 掺Ｆ的氧化物、低Ｋ的ＳＯＧ旋涂玻璃 Ｋ=２.５－2.8 ＰＡＥ、含Ｆ的聚酰亚胺、ＢＣＢ、有机硅氧烷聚合物 等有机材料 Ｋ<２.０ 多孔型材料，可达到极低Ｋ值（１.１），需要能经受Ｃ ＭＰ、刻蚀、热处理等工艺。
Ti/TiN M1 Cu
SiN FSG FSG Cu
(2) Al的“尖锲”现象
硅不均匀 溶解到Al中， 并向Al中扩 散，形成腐 蚀坑 ，Al相 应进入Si中， 形成“尖 锲”。

实际上，硅在接触孔内并不是均匀消耗的，往往 只是通过几个点消耗Si，因此这些地方的深度很 大，Al在这里象尖钉一样锲入Si中，使pn结实效， 实际深度往往可以超过1um。
制备方法：共蒸发、共溅射、合金靶溅射，CVD等。 TiSi2 和 CoSi2的自对准工艺：
• • • • 溅射剥离从衬底表面去除原生氧化层 Ti 或 Co 沉积 退火形成金属硅化物 Ti 或 Co 不与SiO2反应,金属硅化物在硅和Ti 或Co接 触处形成 • 去除Ti 或 Co • 选择性再次退火以增强电导率
（1）电迁移 平均失效时间MTF：50%互连线失效的时间
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

电迁移改善方法： （1）竹状结构：晶粒边界垂直于电流方向。 （2）Al-Cu， Al-Si-Cu合金： 少量Cu的加入可以显著改善抗电迁移 性能 (3) 三明治结构:两层铝膜之间夹一层过度 金属层,400度退火1小时,在铝膜之间形成 金属化合物。