第九章 金屬化與多層互連PPT課件

.,1,第九章金屬化與多層互連,金屬及金屬性材料在集成電路技術(shù)中的應(yīng)用被稱為金屬化。按其在集成電路中的功能劃分，金屬材料可分為三大類：MOSFET柵電極材料：早期nMOS集成電路工藝中使用較多的是鋁柵，目前CMOS集成電路工藝技術(shù)中最常用的是多晶硅柵?；ミB材料：將芯片內(nèi)的各獨(dú)立元器件連接成具有一定功能的電路模塊。鋁是廣泛使用的互連金屬材料，目前在ULSI中，銅互連金屬材料得到了越來越廣泛的運(yùn)用。,.,2,接觸材料：直接與半導(dǎo)體接觸，并提供與外部相連的連接點(diǎn)。鋁是一種常用的接觸材料，但目前應(yīng)用較廣泛的接觸材料是硅化物，如鉑硅(PtSi)和鈷硅(CoSi2)等。集成電路中使用的金屬材料，除了常用的金屬如Al，Cu，Pt，W等以外，還包括重?fù)诫s多晶硅、金屬硅化物、金屬合金等金屬性材料。,.,3,9.1、集成電路對金屬化材料特性的要求,與n+，p+硅或多晶硅能夠形成歐姆接觸，接觸電阻小；長時期在較高電流密度負(fù)荷下，抗電遷移性能要好；與絕緣體（如SiO2）有良好的附著性；耐腐蝕；易于淀積和刻蝕；易于鍵合，而且鍵合點(diǎn)能經(jīng)受長期工作；多層互連要求層與層之間絕緣性好，不互相滲透和擴(kuò)散。,.,4,9.1.1、晶格結(jié)構(gòu)和外延生長特性的要求,金屬材料特性與其晶格結(jié)構(gòu)有關(guān)，集成電路中金屬薄膜：外延生長單晶膜具有最理想的特性。采用外延生長可以消除缺陷，晶體結(jié)構(gòu)好，提高金屬薄膜的性能，降低電阻率和電遷移率，得到良好的金屬/半導(dǎo)體接觸或金屬/絕緣體接觸界面。,.,5,9.1.2、電學(xué)特性,金屬材料在集成電路中應(yīng)用時，須考慮的電學(xué)性能主要包括電阻率、電阻率的溫度系數(shù)(TCR)、功函數(shù)、與半導(dǎo)體接觸的肖特基勢壘高度。對于接觸材料和柵電極材料，其功函數(shù)、與半導(dǎo)體材料的肖特基勢壘高度和接觸電阻是非常重要的參數(shù)。,.,6,9.1.3、機(jī)械特性、熱力學(xué)特性以及化學(xué)反應(yīng)特性,多層薄膜體系中通常有應(yīng)力存在，如圖所示，(a)存在張應(yīng)力，(b)存在壓應(yīng)力。通常總的應(yīng)力可以分為固有應(yīng)力i，和熱應(yīng)力th兩部分，即=i+th。,固有應(yīng)力主要由薄膜的淀積條件決定，通過優(yōu)化生長過程可以減小。熱應(yīng)力可由下式計(jì)算：Ef楊氏模量，Vf泊松系數(shù)，F(xiàn)與S為薄膜和襯底的熱膨脹系數(shù)，T1為工作時溫度，T2為生長(或退火)溫度。可見減小熱應(yīng)力，最重要的是選擇熱膨脹系數(shù)相近的材料。,.,7,應(yīng)力的存在對互連體系可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，應(yīng)力可導(dǎo)致互連線出現(xiàn)空洞，互連材料的電遷移也與應(yīng)力的存在有關(guān)。多層薄膜體系的應(yīng)力可以通過淀積生長適當(dāng)?shù)母采w層來減弱，若第一層薄膜受張應(yīng)力，當(dāng)覆蓋層為受壓應(yīng)力時，經(jīng)過退火后應(yīng)力轉(zhuǎn)移，主要集中在覆蓋層，而原有薄膜所受應(yīng)力減小。選擇合適的覆蓋層對減小薄膜中的應(yīng)力非常重要。除了應(yīng)力之外，金屬材料在半導(dǎo)體材料中的擴(kuò)散、材料的熱力學(xué)特性以及化學(xué)反應(yīng)特性在互連材料的選取以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時都是必須考慮的問題。,.,8,鋁是一種經(jīng)常被采用的金屬互連材料，主要優(yōu)點(diǎn)是:在室溫下的電阻率僅為2.7cm；與n+、p+硅或多晶硅的歐姆接觸電阻可低至10-6/cm2；與硅和磷硅玻璃的附著性很好；經(jīng)過短時間熱處理后，與SiO2、Si3N4等絕緣層的黏附性很好；易于淀積和刻蝕。,9.2、鋁在集成電路技術(shù)中的應(yīng)用,鋁應(yīng)用于集成電路中的互連引線，主要是采用濺射方法制備，淀積速率快、厚度均勻、臺階覆蓋能力強(qiáng)。,9.2.1、金屬鋁膜的制備方法,.,9,9.2.2、Al/Si接觸中的幾個物理現(xiàn)象,(1)Si在Al中的擴(kuò)散Si在Al中的溶解度比較高，在Al與Si接觸處，在退火過程中，會有大量的Si原子溶到Al中。溶解量不僅與退火溫度下的溶解度有關(guān)，還與Si在Al中的擴(kuò)散情況有關(guān)。在400-500退火溫度范圍內(nèi)，Si在Al薄膜中的擴(kuò)散系數(shù)比在晶體Al中大40倍。這是因?yàn)锳l薄膜通常為多晶，雜質(zhì)在晶界的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于在晶粒內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)。,.,10,(2)Al與SiO2的反應(yīng)Al與SiO2反應(yīng)對于Al在集成電路中的應(yīng)用十分重要：Al與Si接觸時，可以“吃”掉Si表面的自然氧化層，使Al/Si的歐姆接觸電阻降低；Al與SiO2的作用改善了集成電路中Al引線與下面SiO2的黏附性。,.,11,9.2.3、Al/Si接觸中的尖楔現(xiàn)象,寬度為w，厚度為d的鋁引線，與硅接觸的接觸孔面積為A，如圖所示。,尖楔現(xiàn)象：由于硅在鋁中的溶解度較大，在Al/Si接觸中，Si在Al膜的晶粒間界中快速擴(kuò)散離開接觸孔的同時，Al也會向接觸孔內(nèi)運(yùn)動、填充因Si離開而留下的空間。如果Si在接觸孔內(nèi)不是均勻消耗，Al就會在某些接觸點(diǎn)，像尖釘一樣楔進(jìn)Si襯底中去，如果尖楔深度大于結(jié)深，就會使pn結(jié)失效，這種現(xiàn)象就是Al/Si接觸中的尖楔現(xiàn)象。,.,12,若退火時間為t，則Si在Al中的擴(kuò)散距離為(Dt)1/2，假設(shè)Si在Al中是飽和的，則消耗的硅體積V為式中nAl和nSi分別為鋁和硅的密度，S是Si在A1中的溶解度(重量百分?jǐn)?shù))。假如Si在接觸孔面積A內(nèi)是均勻消耗的，那么消耗掉的硅層厚度：例如，當(dāng)退火溫度T500時，退火時間t30min，接觸孔面積A44m2，線條寬度w=5m，厚度d1m，則消耗掉的硅層厚度Z=0.3m，相當(dāng)于超大規(guī)模集成電路中的結(jié)深，因而有可能使pn結(jié)短路。實(shí)際上，硅在接觸孔內(nèi)并不是均勻消耗的，而是只通過幾個點(diǎn)消耗Si，有效面積A遠(yuǎn)小于接觸孔面積A，所以Z將遠(yuǎn)大于均勻消耗的深度，Al就像尖釘一樣楔進(jìn)Si襯底中，從而使pn結(jié)短路。實(shí)際的“尖楔”深度往往可以超過1m。,.,13,影響尖楔深度和形狀的因素,1.Al-Si界面的氧化層厚度如果氧化層厚度比較薄，由于Al膜可以“吃”掉薄的SiO2，使Al/Si作用面積較大，尖楔深度比較淺。如果氧化層厚度比較厚，Al/Si作用面只限于幾個點(diǎn)，尖楔深度較深。2.襯底晶向?qū)庑ǖ男蚊灿杏绊戨p極集成電路采用(111)硅襯底，由于(111)面原子面密度大，面間距大，尖楔傾向于橫向擴(kuò)展。MOS集成電路采用(100)硅襯底，尖楔傾向于垂直擴(kuò)展，更容易使pn結(jié)短路。,.,14,9.2.4、Al/Si接觸中的改進(jìn),析出Si逐步增大成為結(jié)瘤，大電流通過互連引線時，結(jié)瘤處發(fā)生明顯升溫，甚至導(dǎo)致互連引線失效。析出的Si原子是p型重?fù)诫s(Al是硅的受主雜質(zhì))，如果是在n型硅與金屬之間制作歐姆接觸，就等于在Al和n型硅之間增加一個p+-n結(jié)，使歐姆接觸電阻增大，而對于肖特基結(jié)的情況，則將增加其有效的勢壘高度。Si在Al-Si表面上的析出淀積，將使引線鍵合變得困難。,1、Al-Si合金金屬化引線,為了解決Al的尖楔問題，在純Al中加入硅至飽和，形成Al-Si合金，代替純Al作為接觸和互連材料。一般為1wt%。但是，在較高合金退火溫度時溶解在Al中的硅，冷卻過程中又從Al中析出。硅從Al-Si合金薄膜中析出是Al-Si合金在集成電路中應(yīng)用的主要限制:,.,15,2、鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu),在SiO2襯底上淀積未摻雜多晶硅，接著淀積鋁膜，腐蝕掉鋁膜后，SiO2襯底上出現(xiàn)一個個分離的大晶粒，原來連續(xù)的多晶硅薄膜不復(fù)存在。當(dāng)Al與多晶硅接觸時，在退火過程中，多晶硅晶界處硅原子自由能比較高，因而晶界處硅原子將向晶粒上的鋁膜運(yùn)輸，并在那兒析出淀積，形成多晶硅重組現(xiàn)象。,由于Al-Si合金存在Si析出的問題，Al/Si接觸還可以采用鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)。,多晶硅重組現(xiàn)象,.,16,對于Al和重磷或重砷摻雜的多晶硅接觸，這種重組現(xiàn)象不存在。可能是因?yàn)殡s質(zhì)磷(砷)在多晶硅晶粒間界分凝，使晶粒間界硅原子的自由能減小，降低了這些硅原子在鋁中的溶解度。因此可以在淀積鋁薄膜之前，先淀積一層重磷或重砷摻雜的多晶硅薄膜，構(gòu)成Al-重磷(砷)摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)。Al-摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)已成功地應(yīng)用于nMOS工藝中。,鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu),.,17,3、鋁-阻擋層結(jié)構(gòu),在鋁與硅之間淀積一個薄金屬層，替代重磷摻雜多晶硅層，阻止鋁與硅之間的作用，從而抑制Al尖楔現(xiàn)象。這層金屬稱為阻擋層。為了形成好的歐姆接觸，一般采用雙層結(jié)構(gòu)，硅化物作為歐姆接觸，TiN、TaN或WN作為阻擋層。如圖所示，TiN阻擋層可顯著地減小漏電流。TiN，TaN和WN這些氮化物可以在氮?dú)夥罩型ㄟ^反應(yīng)濺射淀積，也可以先淀積Ti金屬，之后在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行快速熱退火來形成。對于深亞微米器件來說，接觸孔的面積很小，深寬比大，可用CVD方法淀積。,.,18,電遷移現(xiàn)象：隨著芯片集成度的提高，互連引線變得更窄、更薄，電流密度越來越大。在較高的電流密度作用下，互連引線中的金屬原子將會沿著電子運(yùn)動方向進(jìn)行遷移，這種現(xiàn)象就是電遷移。,1、電遷移現(xiàn)象的物理機(jī)制,電子風(fēng)力：當(dāng)互連引線中的電流密度較高時，靜電場力Fei驅(qū)動電子由陰極向陽極運(yùn)動。高速運(yùn)動的電子與金屬原子發(fā)生動量交換，原子受到猛烈的電子沖擊力，這就是電遷移理論中的電子風(fēng)力Fwd。同時，金屬原子還受靜電場力Fei的作用。當(dāng)互連引線中的電流密度較高時，電子風(fēng)力Fwd大于靜電場力Fei，金屬原子受到電子風(fēng)力的驅(qū)動，產(chǎn)生了從陰極向陽極的定向擴(kuò)散，即發(fā)生了金屬原子的電遷移。在相反方向?qū)⒂匈|(zhì)量耗盡，產(chǎn)生空位的聚合。,9.2.5、電遷移現(xiàn)象及其改進(jìn)方法,.,19,三叉點(diǎn)：在三個晶粒交界處，此時電子風(fēng)推動原子從一條邊界流入，從另外兩條邊界流出。這個過程造成了質(zhì)量的流失，形成了空洞。當(dāng)電流反向流動時，就產(chǎn)生了質(zhì)量堆積，形成小丘。因此，“三叉點(diǎn)”數(shù)量的減少會使引線發(fā)生電遷移的可能性下降。,電遷移現(xiàn)象的結(jié)果：在一個方向形成空洞，使互連引線斷裂開路，而在另一個方向則由于鋁原子的堆積而形成小丘，造成光刻的困難和多層布線之間短路，從而使整個集成電路失效。,金屬原子在薄膜中的輸運(yùn)過程是擴(kuò)散過程，主要是沿晶界進(jìn)行的。,.,20,2、中值失效時間MTF,常用電遷移中值失效時間（MTF）來描述電遷移引起的失效。中值失效時間：同樣的直流電流試驗(yàn)條件下，50的互連引線失效所用的時間。失效判據(jù)為引線電阻增加100。中值失效時間正比于引線截面積Adw，因?yàn)樗鼪Q定了造成引線斷開的最小空洞尺寸；反比于質(zhì)量輸運(yùn)率，即質(zhì)量輸運(yùn)率越低，中值失效時間應(yīng)當(dāng)越長。,.,21,3、改進(jìn)電遷移的方法,“竹狀”結(jié)構(gòu)的鋁引線與通常Al引線結(jié)構(gòu)不同，組成多晶體的晶粒從下而上貫穿引線截面，整個引線截面圖類似有許多“竹結(jié)”的一條竹子，晶粒間界垂直于電流方向，所以晶粒間界的擴(kuò)散不起作用，鋁原子在鋁薄膜中的擴(kuò)散系數(shù)和在單晶中類同，從而可使MTF值提高二個數(shù)量級。,(1)結(jié)構(gòu)的影響和“竹狀”結(jié)構(gòu)的選擇,多晶鋁引線的電遷移現(xiàn)象隨晶粒尺寸增大而減弱，MTF增大。此外，還與鋁薄膜的擇優(yōu)取向有關(guān)，電子束蒸發(fā)鋁薄膜擇優(yōu)取向?yàn)榫颍腗TF值比濺射的鋁薄膜大2-3倍。,.,22,在鋁中附加合金成份，最常用的是Cu。使金屬化材料由純Al變?yōu)锳l-Si(1-2)-Cu(4)合金，這些雜質(zhì)在鋁的晶粒間界分凝可以降低鋁原子在鋁晶粒間界的擴(kuò)散系數(shù)，可以使MTF值提高一個量級。但缺點(diǎn)是使引線的電阻率增加、Al-Si-Cu合金不易刻蝕、且易受Cl2腐蝕。(3)三層夾心結(jié)構(gòu)在兩層鋁薄膜之間增加一個約500的過渡金屬層。經(jīng)過退火，在兩層鋁之間將形成金屬化合物，它們是很好的鋁擴(kuò)散阻擋層，可以防止空洞穿透整個鋁金屬化引線；同時在鋁晶粒間界也會形成化合物，降低鋁原子在鋁晶粒間界中的擴(kuò)散系數(shù)，從而減少了鋁原子的遷移率，防止空洞和小丘的形成。這種方法可以使MTF值提高2-3量級，但是工藝比較復(fù)雜。(4)改進(jìn)電遷移的另一種有效方法是采用新的互連金屬材料，如Cu。,(2)Al-Cu合金或Al-Si-Cu合金,.,23,9.3、銅及低K介質(zhì),隨著集成電路的不斷發(fā)展，降低互連線延遲時間成為集成電路發(fā)展的重要內(nèi)容之一。,9.3.1、互連引線的延遲時間,采用RC常數(shù)來表征互連引線的延遲時間，R引線電阻，C互連系統(tǒng)電容。R與互連材料電阻率、長度l和截面積wtm有關(guān)：w為引線的寬度，tm為引線的厚度，電容C與互連引線的幾何尺寸及介質(zhì)層的介電常數(shù)和厚度tox有關(guān)：互連引線的RC常數(shù)為：,.,24,金屬銅的電阻率小于2.0cm，低電阻率可以減小引線的寬度和厚度，從而減小了分布電容，并能提高集成電路的密度。此外，銅的抗電遷移性能好。使用低K材料作為介質(zhì)層，減小了分布電容，對降低互連線延遲時間同樣起到重要的作用。,采用低電阻率的互連材抖和低介電常數(shù)的介質(zhì)材料可以有效的降低互連系統(tǒng)的延遲時間，例如使用銅作為互連材料，低K材料作為介質(zhì)層。,因此銅及低K介質(zhì)互連體系，已成為集成電路進(jìn)入深亞微米階段以后，為了降低互連線延遲時間所選擇的材料。,.,25,9.3.2、以Cu作為互連材料的工藝流程,Cu的性質(zhì)與鋁不同，不能采用傳統(tǒng)的以鋁作為互連材料的布線工藝。以Cu作為互連的集成技術(shù)是IC制造技術(shù)進(jìn)入到0.18m及其以下時代必須面對的挑戰(zhàn)之一。對以Cu作為互連的工藝來說，目前被人們看好并被普遍采用的技術(shù)方案是雙大馬士革(DualDamascene)(雙鑲嵌)工藝。主要特點(diǎn)：對任何一層進(jìn)行互連材料淀積的同時，也對該層與下層之間的通孔(Via)進(jìn)行填充，而CMP平整化工藝只對導(dǎo)電金屬層材料進(jìn)行。與傳統(tǒng)的互連工藝相比，工藝步驟得到簡化，工藝成本也相應(yīng)降低。,.,26,(1)在前層互連層平面上淀積刻蝕停止層，如Si3N4；(2)淀積厚的互連介質(zhì)材料，如SiO2或低K介質(zhì)材料；(3)形成刻蝕引線溝槽的光刻膠掩膜圖形；(4)以光刻膠作為掩膜在介質(zhì)層上刻蝕引線溝槽；(5)去除光刻膠；(6)形成刻蝕通孔的光刻膠掩膜圖形；,.,27,(7)以光刻膠為掩膜刻蝕通孔，由于高刻蝕選擇性,通孔刻蝕將在停止層自動停止；(8)除去光刻膠；(9)除去刻蝕停止層；(10)濺射淀積金屬勢壘層和Cu的籽晶層；(11)利用電鍍等工藝進(jìn)行填充淀積直至通孔和溝槽中填滿Cu為止；(12)利用CMP去除溝槽和通孔之外的Cu。在進(jìn)行有效清潔后淀積介質(zhì)勢壘層材料，然后開始下一互連層的制備。,.,28,9.3.3、低K介質(zhì)層材料和淀積技術(shù),低K介質(zhì)材料是指介電常數(shù)比SiO2低的介質(zhì)材料，介電常數(shù)一般小于3.5。采用低K介質(zhì)可以減小寄生電容，減小互連延遲時間，從而提高了集成電路的速度。低K介質(zhì)的淀積工藝，主要有旋涂工藝(spinon)和CVD工藝。,旋涂工藝具有工藝簡單、缺陷密度比較低、產(chǎn)率高、易于平整化、無需使用危險氣體等優(yōu)點(diǎn)；CVD工藝與IC工藝兼容、反應(yīng)劑的成本比旋涂液的成本低，但CVD設(shè)備較貴，可適合應(yīng)用的材料受到限制。,.,29,目前研究的低K介質(zhì)材料，按其K值的范圍可分為三類：K=2.8-3.5；K2.5-2.8；K2.0。K值在2.8-3.5之間的低K材料，主要有HSQ薄膜、摻氟的氧化物、低K的SOG旋涂玻璃(SpinonG1ass)三種。K值在2.5-2.8之間的低K材料有許多種，其中基于旋涂工藝的低K介質(zhì)材料主要有PAE、含氟的聚酰亞胺、BCB、有機(jī)硅氧烷聚合物等。目前研究的K值小于2.0的極低K介質(zhì)材料主要有多孔型氣凝膠薄膜材料、石英氣凝膠薄膜材料和多氟的特富龍薄膜材料等。,.,30,刻蝕工藝要求：與低K介質(zhì)材料沉積工藝兼容；對刻蝕停止層有高的選擇性；能形成垂直圖形；對Cu無刻蝕和腐蝕；刻蝕的殘留物易于清除。,低K介質(zhì)的刻蝕工藝,.,31,低K介質(zhì)刻蝕后的清洗包括物理和化學(xué)清洗兩種方式。物理清洗主要是利用清洗劑(如去離子水等)對殘留物的物理沖刷作用，清除表面殘留物。化學(xué)清洗是利用清洗劑與殘留物的化學(xué)反應(yīng)，形成易揮發(fā)或易溶解的產(chǎn)物。為了獲得好的清洗效果，通常需要物理清洗和化學(xué)清洗相結(jié)合，要求清洗工藝既能有效清除殘留物又不對低K介質(zhì)和通孔底層Cu表面造成損傷。,對通孔底部的Cu表面進(jìn)行還原處理，以減小通孔的接觸電阻；去除介質(zhì)上的各種殘留物；在淀積金屬勢壘層材料之前，必須要完全去除介質(zhì)結(jié)構(gòu)特別是在側(cè)墻表面的Cu離子的污染。,低K介質(zhì)刻蝕后的清洗,.,32,9.3.4、勢壘層材料技術(shù),勢壘層的作用：防止Cu擴(kuò)散和改善Cu的附著性；作為CMP和刻蝕工藝的停止層；保護(hù)Cu薄膜和低K介質(zhì)層不受工藝和環(huán)境因素造成的氧化和腐蝕效應(yīng)的影響。（CMP后，有效清潔后淀積介質(zhì)勢壘層材料）,勢壘層包括介質(zhì)勢壘層和金屬勢壘層兩種。,.,33,實(shí)際上在低K介質(zhì)層要插入介質(zhì)勢壘層，防止低K介質(zhì)在工藝過程或環(huán)境中吸潮而影響性能。介質(zhì)勢壘層材料的介電常數(shù)要低、刻蝕選擇性和抗擴(kuò)散性能要好。Si3N4是常用的介質(zhì)勢壘層材料：具有很好的介質(zhì)勢壘層特性、刻蝕選擇性和CMP選擇性較高、抗Cu擴(kuò)散和氧化的能力高、鈍化能力好，缺點(diǎn)是介電常數(shù)較高(K7.8)，使互連電容增加。新型低K介質(zhì)勢壘層材料：SiC是新的介質(zhì)勢壘層材料，介電常數(shù)比Si3N4材料低(K4-6)。SiOCH和SiOCNH是一種新發(fā)展的介質(zhì)勢壘層材料，它們的K值分別在3.9-4.3和4.2-5.1之間。,介質(zhì)勢壘層,.,34,金屬勢壘層的主要作用是防止Cu的擴(kuò)散，同時保證可靠的電學(xué)接觸。目前研究的導(dǎo)電勢壘層材料有WN，TiN，Ta，TaN等。TaN和Ta比TiN有更好的勢壘層特性。Ta和TaN作為擴(kuò)散勢壘層，經(jīng)過30分鐘400500的退火過程后，仍保持好的抗Cu擴(kuò)散性能。與Ta相比，TaN與介質(zhì)層有更好的黏附性和防止Cu離子擴(kuò)散性能，可靠性更好。,金屬勢壘層,.,35,9.3.5、金屬Cu的淀積技術(shù),利用濺射和CVD方法對溝槽和通孔進(jìn)行金屬Cu的填充淀積時，容易形成孔洞，抗電遷移能力差。因此在Cu互連集成工藝中，向通孔和溝槽中填充Cu的工藝，目前普遍采用的是具有良好臺階覆蓋性、高淀積速率的電鍍或化學(xué)鍍的方法。電鍍法在電鍍法填充Cu的工藝中，一般是采用CuSO4與H2SiO4的混合溶液作為電鍍液，硅片與外電源的負(fù)極相接，通電后電鍍液中的Cu2+由于受到負(fù)電極的作用被Cu籽晶層吸引，從而實(shí)現(xiàn)了Cu在籽晶層上的淀積。為了保證高可靠性、高產(chǎn)率及低電阻的通孔淀積，通孔的預(yù)清潔工藝、勢壘層和籽晶層的淀積工藝，通常需要在不中斷真空的條件下、在同一個淀積系統(tǒng)中完成。,.,36,化學(xué)鍍與電鍍工藝不同的是無需外接電源，它是通過金屬離子、還原劑、復(fù)合劑、pH調(diào)節(jié)劑等在需要淀積的表面進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)Cu的淀積。Cu-CVD工藝盡管利用CVD方法向通孔和溝槽中填充Cu，可靠性比較差，但與電鍍或化學(xué)鍍工藝相比，采用CVD方法與CMOS工藝有更好的工藝兼容性。因此，優(yōu)化Cu-CVD工藝，發(fā)展無空洞的厚膜淀積工藝，是Cu-CVD工藝的一個重要研究內(nèi)容。,化學(xué)鍍,.,37,Cu填充后的退火工藝非常重要。電鍍填充的Cu金屬層存在自退火效應(yīng)，可導(dǎo)致Cu薄膜的電阻率下降18-20%，這種自退火效應(yīng)引起的電阻下降與Cu的再結(jié)晶有關(guān)，并且在經(jīng)過一段時間以后，電阻率將趨于穩(wěn)定。為了使電鍍淀積Cu的方塊電阻、表面硬度和CMP的磨蝕率等性能達(dá)到穩(wěn)定，需要在溫度高于150進(jìn)行60秒以上的退火。,退火,.,38,9.4、多晶硅及硅化物,9.4.1、多晶硅柵技術(shù),MOS場效應(yīng)晶體管開啟電壓VT：多晶硅柵取代鋁柵，可使p溝MOS器件的開啟電壓絕對值降低1.2-1.4V左右。,硅柵自對準(zhǔn)技術(shù)：在光刻刻蝕形成柵極后，無需再做掩蔽層，在多晶硅柵的掩蔽下，自對準(zhǔn)地進(jìn)行源漏區(qū)的摻雜，并同時完成多晶硅柵的摻雜。解決了光刻套刻柵時要求的柵-源、柵-漏的重疊，不但可減少柵的面積，同時還可以使器件幾何尺寸做得更小，從而可以提高集成電路的集成度和速度。,.,39,9.4.2、多晶硅薄膜的制備技術(shù),多晶硅薄膜可采用LPCVD方法，在600650的溫度范圍內(nèi)，用硅烷熱分解淀積，反應(yīng)式如下：可選用純硅烷，也可選用被氮或氬氣稀釋的硅烷，淀積時的壓強(qiáng)為26.66133.3Pa。用LPCVD方法淀積多晶硅，由于壓力很低，所以氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)很高，多晶硅薄膜的淀積生長過程主要由表面反應(yīng)速率控制。表面反應(yīng)速率主要受溫度影響，精確控溫是很容易實(shí)現(xiàn)的，因此用LPCVD系統(tǒng)淀積多晶硅薄膜的均勻性和可重復(fù)性都比較好。,.,40,9.4.3、多晶硅互連及其局限性,隨著集成電路的進(jìn)一步發(fā)展，器件尺寸縮小，薄膜厚度變薄，作為互連材料的多晶硅薄膜，高電阻率已成為提高集成電路速度的限制因素之一，延遲時間常數(shù)RC與電阻率和方塊電阻有如下的關(guān)系：R為方塊電阻，l為互連引線長度，d和w分別為引線的厚度與寬度，ox和tox分別為硅互連引線下面的絕緣層的介電常數(shù)和厚度。RC時間常數(shù)與引線方塊電阻成正比，與線長度平方成正比，與絕緣層厚度成反比?？紤]到邊緣效應(yīng)，RC時間常數(shù)也將隨著線寬減小而增加。,.,41,采用三種不同加工尺寸(5m,1m,0.5m)時，多晶硅互連、硅化物互連和純金屬互連的延遲時間與芯片面積的關(guān)系。,從圖中可知，對于5m加工技術(shù)，多晶硅作為互連引線，可以與集成電路典型時延g相適應(yīng)；當(dāng)加工精度提高到1m時，多晶硅作為互連已經(jīng)完全不適應(yīng)需要了，必須代之以硅化物互連或純金屬互連；而對于亞微米技術(shù)，則幾乎所有互連引線都已成為速度的限制因素。,.,42,9.4.4、多晶硅氧化,在硅工藝的氧化過程中，如果表面存在多晶硅薄膜，也會同時進(jìn)行氧化。但是，多晶硅由許多晶粒組成，氧化機(jī)制與單晶硅的情況有些不同。在硅工藝中多晶硅通常是重?fù)诫s的，用來作為局部互連、MOS器件的柵電極和雙極器件的發(fā)射區(qū)。摻雜將大大增加多晶硅的氧化速率。多晶硅的晶粒間界具有高密度缺陷和懸掛鍵，高密度的缺陷使氧化劑的擴(kuò)散比較快；而高密度懸掛鍵的存在，使氧化的表面化學(xué)反應(yīng)常數(shù)的激活能降低，二者都使晶界處的氧化速率增大，造成晶界處的增強(qiáng)氧化。,.,43,硅氧化為SiO2時，其體積增大2.2倍。對于多晶硅薄膜，晶粒間界的增強(qiáng)氧化勢必?cái)D壓周圍的晶粒，產(chǎn)生應(yīng)力，從而產(chǎn)生缺陷，更會增強(qiáng)晶界處的氧化。由于分凝現(xiàn)象，許多n型雜質(zhì)更傾向于保留在多晶硅中，而不是存在于生成的二氧化硅中。氧化之后在靠近界面的多晶硅中，形成很高的摻雜濃度；另外，為了提高多晶硅的導(dǎo)電性，往往也對多晶硅進(jìn)行高磷摻雜，這將使多晶硅中的雜質(zhì)濃度可能達(dá)到磷在硅中的固溶度水平，在極端情況下，會出現(xiàn)磷硅(SiP)相。用HF去除氧化層時，SiP可溶于HF，在多晶硅層中會留下孔洞。,.,44,9.4.5、難熔金屬硅化物的應(yīng)用,硅化物由于較低的電阻率，高溫穩(wěn)定性好，抗電遷移能力強(qiáng)，制備工藝與現(xiàn)有硅柵工藝兼容，因而已被廣泛使用在ULSI中。難熔金屬硅化物如TiSi2、TaSi2、MoSi2和WSi2等，主要用于做柵和互連材料；亞貴金屬硅化物如PtSi和PdSi2主要適用于做歐姆接觸材料。,.,45,9.4.6、硅化物的淀積方法,1共濺射方法：按原子比的要求，從兩個不同的元素靶逐次濺射難熔金屬和硅，組成精細(xì)的多層結(jié)構(gòu)，然后退火形成硅化物，是目前最廣泛使用的方法之一。（共濺射還可以同時由兩個靶濺射難熔金屬和硅到襯底上。）優(yōu)點(diǎn)是能分別控制難熔金屬和硅原子數(shù)，得到各種比例的MxSiy合金；可以濺射各種金屬于各種襯底上；在濺射之前可以進(jìn)行反濺射，以取得潔凈表面。2共蒸發(fā)方法：按一定的原子比，用電子束同時蒸發(fā)難熔金屬和硅；或者如同共濺射一樣，逐層蒸發(fā)難熔金屬和硅，形成多層結(jié)構(gòu)。因?yàn)檎婵斩容^高，可以取得高純金屬膜。但電子束造成的輻照損傷需要在一定溫度下退火才能消除。,.,46,3濺射或蒸發(fā)單層難熔金屬于多晶硅襯底上，在退火過程中，難熔金屬與多晶硅(硅)襯底反應(yīng)形成硅化物。4合金靶濺射：以一定原子數(shù)比例，將難熔金屬和硅粉末熱壓形成合金靶，然后直接濺射到硅(多晶硅)或SiO2上。方法簡單，易于使用。但是由于粉末在熱壓制備成合金靶時易于被氧化和玷污，得到的硅化物薄膜電阻率比較高。金屬和硅的原子比不可調(diào)節(jié)。5化學(xué)汽相淀積(CVD)硅化物：包括APCVD，LPCVD和PECVD。LPCVD淀積的硅化物臺階覆蓋好，PECVD淀積溫度低，產(chǎn)量較高，是有發(fā)展前途的方法。LPCVD生長的WSi2已開始用于實(shí)際生產(chǎn)。,.,47,9.4.7、硅化物的形成機(jī)制,9.4.8、硅化物的結(jié)構(gòu),.,48,9.4.9、硅化物的電導(dǎo)率,絕大部分過渡金屬硅化物都有良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)電機(jī)構(gòu)類似于金屬。硅化物薄膜的電導(dǎo)率受薄膜淀積技術(shù)、雜質(zhì)含量及退火條件等因素影響。(1)硅化物薄膜的電學(xué)性質(zhì)受硅與金屬的原子比的影響。Si/M大于2時，電阻率將隨Si/M的增大而增大。(2)硅化物薄膜的晶粒尺寸對電阻率的影響。晶粒尺寸增大，晶粒間界減少，電阻率下降。(3)硅化物薄膜中雜質(zhì)的影響(主要是O,N,C,Ar等)。在硅化物薄膜制備過程中引入的雜質(zhì)使硅化物薄膜的性能變壞，電阻率增加。(4)退火條件的影響。退火是降低硅化物電阻率的有效辦法。退火使晶粒尺寸增大，薄膜的電阻率下降。,.,49,電阻率隨退火溫度和退火時間變化都有飽和特性，退火溫度越高，電阻率達(dá)到極小值所需時間越短。,.,50,9.4.10、硅化物的氧化,硅化物廣泛用于集成電路的柵互連材料，關(guān)鍵因素之一就是因?yàn)殡y熔金屬硅化物也能氧化生成穩(wěn)定、致密的氧化層。硅化物的氧化過程由下述四步完成：(1)硅襯底釋放硅原子的反應(yīng)過程；(2)由硅襯底提供的硅原子擴(kuò)散通過硅化物層到達(dá)硅化物-SiO2界面；(3)氧化劑以擴(kuò)散方式通過已生成的SiO2層；這是硅化物氧化速率的最終限制因素。(4)氧化劑在硅化物-SiO2界面上與硅反應(yīng)生長SiO2。在氧化過程中，除了晶粒略有增大外，硅化物的性質(zhì)和厚度都沒有明顯變化。得到的SiO2其介電性能也可以與硅或多晶硅生長的SiO2相比擬。,.,51,9.4.12、多晶硅/硅化物復(fù)合柵結(jié)構(gòu),硅化物直接替換多晶硅做柵和互連材料時，由于硅化物在形成過程中有較大的應(yīng)力產(chǎn)生，容易在薄柵SiO2中及其硅襯底表面引入缺陷，使MOS器件的電學(xué)性能和穩(wěn)定性都變壞。目前最廣泛采用的是多晶硅/硅化物復(fù)合柵結(jié)構(gòu)。它既可以保持良好的多晶硅/SiO2界面特性、硅柵器件的可靠性和工藝穩(wěn)定性，又可以使引線電阻降低一個量級以上。,9.4.11、硅化物肖特基勢壘,.,52,多晶硅/硅化物復(fù)合柵中，多晶硅/WSi2的厚度比增大時，薄層電阻增大，因此應(yīng)盡可能降低多晶硅/硅化物的厚度比。但是過薄的多晶硅層將影響多晶硅/SiO2界面，不能保持穩(wěn)定的、良好的多晶硅/SiO2界面特性。,.,53,9.5、大規(guī)模集成電路與多層互連,隨著集成電路集成度的擴(kuò)大，互連線所占面積已經(jīng)成為決定芯片面積的主要因素，互連線導(dǎo)致的延遲已經(jīng)可以與器件的門延遲相比較，右圖給出了幾種金屬材料單位長度連線RC常數(shù)與器件特征尺寸的關(guān)系。互連系統(tǒng)已經(jīng)成為限制集成電路技術(shù)發(fā)展的重要因素，單層金屬互連已經(jīng)無法滿足需要，必須使用多層金屬互連技術(shù)。,.,54,9.5.1、多層金屬互連技術(shù)對超大規(guī)模集成電路的意義,首先，多層金屬互連技術(shù)可以使集成度進(jìn)一步提高。使用多層互連可以使單位芯片面積上可用的互連線面積成倍增加。其次，使用多層金屬互連可以降低互連線導(dǎo)致的延遲時間。此外，由于多層互連技術(shù)的使用，可以在更小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)相同功能，這樣在單個硅片上可制作出更多芯片，從而可以降低單個芯片的成本。當(dāng)然互連線每增加一層，需要增加兩塊掩模版，而且還可能導(dǎo)致總成品率的下降，互連線層數(shù)也不是越多越好。,.,55,9.5.2、多層金屬互連技術(shù)對材料的要求,如圖是一個雙層金屬互連體系的示意圖，多層金屬互連的結(jié)構(gòu)也類似。,第一層金屬與多晶硅柵/局域互連層之間的絕緣介質(zhì)層被稱作PMD(前金屬化介質(zhì)層)；金屬層之間的絕緣介質(zhì)被稱作IMD(金屬間介質(zhì))；PMD上光刻孔稱為接觸孔(contacts)，實(shí)現(xiàn)第一層金屬與柵及硅的連接；IMD上的光刻孔稱為通孔(via)，實(shí)現(xiàn)金屬層之間的連接。,.,56,互連體系中使用的材料，包括了金屬材料和絕緣介質(zhì)材料兩大類。l.金屬材料金屬材料在多層金屬互連體系中使用時需要滿足以下條件：(1)低的電阻率；(2)表面平整；(3)能抵抗電遷移；(4)易于鍵合；(5)穩(wěn)定性，機(jī)械和電學(xué)性能在經(jīng)過后續(xù)工藝以及長時間工作后保持不變；(6)抗腐蝕；(7)不會污染破壞器件、硅片以及加工設(shè)備；(8)淀積生長的薄膜厚度和結(jié)構(gòu)的可控制性；(9)可各向異性刻蝕且對襯底和掩蔽材料有好的選擇性；(10)好的臺階覆蓋；(11)薄膜反射系數(shù)可控，以利于進(jìn)行光刻；(12)金屬化薄膜最好是化合物形態(tài)；(13)每層都可以是以合金態(tài)淀積生長且合金組分可控；(14)淀積過程中無缺陷生成；(15)低的薄膜應(yīng)力；(16)淀積生長和圖形轉(zhuǎn)移過程應(yīng)該具有經(jīng)濟(jì)性。,.,57,多層金屬互連中的介質(zhì)材料包括：以硅烷為源CVDSiO2，以TEOS為源PECVDSiO2，PECVDSi3N4，SOG，HDP-CVDSiO2，低K介質(zhì)。多層金屬互連對絕緣介質(zhì)材料的要求如下：(1)低介電常數(shù)；(2)高擊穿場強(qiáng)；(3)低泄漏電流，體電阻率大于1015cm；(4)低表面電導(dǎo)，表面電阻率大于1015cm；(5)不會吸潮；(6)低的薄膜導(dǎo)致的應(yīng)力：(7)與鋁膜的附著性要好，對附著性差的金屬，在金屬層與介質(zhì)層之間需要使用襯墊層；(8)與上下介質(zhì)層的附著性要好；(9)溫度承受能力在500以上；(10)易刻蝕(濕法或干法刻蝕)；(11)允許氫氣氛圍下加工沒有電荷或偶極矩的聚集區(qū)；(12)沒有金屬離子；(13)好的臺階覆蓋且不形成凹角；(14)好的厚度均勻性；(15)對摻雜的氧化層，好的摻雜均勻性；(16)低缺陷密度；(17)無揮發(fā)性殘余物存在。對于PMD介質(zhì)要求溫度承受能力在800以上。實(shí)際上當(dāng)使用了鋁材料以后，后續(xù)工藝溫度不會超過450。,2.絕緣介質(zhì)材料,.,58,9.5.3、多層互連的工藝流程,當(dāng)器件制備工藝結(jié)束以后，即進(jìn)入互連工藝。,首先淀積生長絕緣介質(zhì)層；接下來要進(jìn)行平坦化處理，以消除薄膜上的臺階；然后在介質(zhì)層上刻出接觸孔和通孔；再進(jìn)行金屬化，填充接觸孔和通孔，形成互連線；如果不是最后一層金屬，則繼續(xù)進(jìn)行下一層金屬化的工藝沉程，如果是最后一層金屬，則淀積鈍化層，互連工藝完成。,.,59,9.5.4、平坦化,在集成電路制造過程中，經(jīng)過多步加工工藝以后，硅片表面已經(jīng)很不平整，特別是在金屬化引線孔邊緣處會形成很高的臺階。臺階的存在將會影響淀積薄膜的覆蓋效果，在底角處，薄膜有可能淀積不到，使金屬化引線發(fā)生斷路，從而引起整個集成電路失效。臺階還可能導(dǎo)致薄膜淀積生長過程中形成空洞。隨著互連層數(shù)的增加和工藝特征尺寸的縮小，對硅片表面平整度的要求也越來超高，金屬層和介質(zhì)層都需要進(jìn)行平坦化處理，以減小或消除臺階的影響，改善臺階覆蓋的效果。,.,60,可以采用一些簡單的方法改善硅片表面的平整度。例如，對真空蒸發(fā)來說，改善臺階覆蓋的方法，是使用行星旋轉(zhuǎn)式真空淀積裝置，通過蒸發(fā)源和襯底相對方向的連續(xù)改變，有效地消除蒸發(fā)死角，從而增加淀積率的均勻性。也可采用磷硅玻璃(PSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)回流，使銳利的臺階變得平滑，大大改善臺階覆蓋狀況。,.,61,圖(a)是沒有平坦化圖形；圖(b)是第一類平坦化技術(shù)，只是使銳利的臺階改變?yōu)槠交?，臺階高度沒有減?。粓D(c)是第二類平坦化技術(shù)，可以使銳利的臺階變?yōu)槠交瑫r臺階高度減小。通過再淀積一層半平坦化的介質(zhì)層作為覆蓋層，即可達(dá)到這種效果，如在多晶硅上淀積BPSG；,平坦化技術(shù),.,62,圖(d)是第三類平坦化技術(shù)，是使局域達(dá)到完全平坦化，使用犧牲層技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)局域完全平坦化；圖(e)是第四類平坦化技術(shù)，是整個硅片表面平坦化，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法就是可實(shí)現(xiàn)整個硅片平坦化的方法。,.,63,9.5.5、CMP工藝,CMP平坦化技術(shù)對金屬層和介質(zhì)層都可以實(shí)現(xiàn)全局平坦化，如圖是CMP設(shè)備和工藝的示意圖。對硅片進(jìn)行CMP時，硅片被壓在研磨盤上，硅片與研磨盤之間有一層研磨劑，硅片與研磨盤都以一定速率轉(zhuǎn)動，利用研磨劑提供的化學(xué)反應(yīng)和硅片在研磨盤上承受的機(jī)械研磨，把硅片表面凸出的部分除去，最終實(shí)現(xiàn)平坦化。,.,64,CMP技術(shù)的基本工藝元素是磨盤和磨料：在許多情況下，CMP中往往要兩個磨盤同時使用，其中較硬的磨盤能形成好的局部平整度，而較軟的磨盤可提供大面積的磨蝕均勻度。對于磨料來說，要求具有高磨蝕率、較好的平整度、局部薄膜均勻性、高選擇性等。磨料中包含有反應(yīng)劑(氧化劑)和摩擦劑。摩擦劑顆粒的硬度一般要與所磨蝕的材料基本相同。CMP工藝在應(yīng)用中最主要的問題：CMP終點(diǎn)探測，通常需要使用中止層作為CMP終點(diǎn)標(biāo)志；研磨產(chǎn)物的清洗，現(xiàn)在主要使用刷洗、噴