接觸與離子互連(可編輯)課件

金屬化：金屬及金屬性材料在IC中的應(yīng)用。金屬化材料分類：（按功能劃分）MOSFET柵電極材料-MOSFET器件的組成部分；互連材料—將各個(gè)獨(dú)立的元件連接成為具有一定功能的電路模塊。接觸材料—之間與半導(dǎo)體材料接觸的材料，以及提供與外部相連的接觸點(diǎn)?；ミB材料—Interconnection互連在金屬化工藝中占有主要地位AL-Cu合金最為常用W塞（80s和90s）Ti：焊接層TiN：阻擋、黏附層未來互連金屬--CuCOMS標(biāo)注金屬化互連：Al—Cu合金接觸孔與通孔：金屬W（Ti/TiN/W）Ti/TiN：焊接層、阻擋層、防反射層電極材料：金屬硅化物，如TiSi29.2金屬化材料及應(yīng)用常用金屬材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等常用的金屬性材料：摻雜的poly-Si；金屬硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2、TiSi2；金屬合金--AlSi、AuCu、CuPt、TiB2、SiGe、ZrB2、TiC、MoC、TiN。9.2金屬化材料及應(yīng)用多晶硅柵和局部互連；70s中期后代替Al作為柵極，高溫穩(wěn)定性；滿足注入后退火的要求，Al不能自對準(zhǔn)重?fù)诫s，LPCVD淀積硅化物電阻率比多晶硅更低，常用TiSi2，WSi2和CoSi29.2金屬化材料及應(yīng)用2、硅化物自對準(zhǔn)形成硅化鈦9.2金屬化材料及應(yīng)用鋁（Al）最常用的金屬導(dǎo)電性第四好的金屬-鋁2.65μΩ-cm-金2.2μΩ-cm-銀1.6μΩ-cm-銅1.7μΩ-cm1970s中期以前用作柵極電極金屬9.2金屬化材料及應(yīng)用5、鎢W接觸孔和通孔中的金屬塞接觸孔變得越來越小和越窄PVDAl合金：臺階覆蓋性差，產(chǎn)生空洞CVDW：出色的臺階覆蓋性和空隙填充能力CVDW：更高電阻率：8.0-12mW-cmPVDAl合金（2.9-3.3mW-cm）W只用作局部互連和金屬塞9.2.1Al的性質(zhì)電阻率：Al為2.7μΩ/cm，（Au2.2μΩ/cm，Ag1.6μΩ/cm，Cu1.7μΩ/cm）Al合金為3.5μΩ/cm；溶解度：Al在Si中很低，Si在Al中相對較高，如400℃時(shí)，0.25wt%；450℃時(shí)，0.5wt%；500℃時(shí)，0.8wt%；Al-Si合金退火：相當(dāng)可觀的Si溶解到Al中。

最常用的材料使Al：采用濺射淀積鋁互連技術(shù)Al金屬化系統(tǒng)失效的現(xiàn)象Al的電遷移（Electromigration）Al/Si接觸中的尖楔現(xiàn)象Cu正全面取代Al9.2.4電遷移現(xiàn)象及改進(jìn)電遷移：大電流密度下，導(dǎo)電電子與鋁金屬離子發(fā)生動量交換，使金屬離子沿電子流方向遷移?，F(xiàn)象：在陽極端堆積形成小丘或須晶，造成電極間短路；在陰極端形成空洞，導(dǎo)致電極開路。改進(jìn)電遷移的方法a.“竹狀”結(jié)構(gòu)：晶粒間界垂直電流方向。b.Al—Cu/Al—Si—Cu合金：Cu等雜質(zhì)的分凝降低Al在晶粒間界的擴(kuò)散系數(shù)。c.三層夾心結(jié)構(gòu)：兩層Al之間加一層約500?的金屬過渡層，如Ti、Hf、Cr、Ta。d.新的互連線：Cu當(dāng)器件工作室，金屬互連線內(nèi)有一定電流通過，金屬離子會沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的輸運(yùn)，其結(jié)果會使導(dǎo)體的某些部位產(chǎn)生空洞或晶須（小丘），這就是電遷移現(xiàn)象。為了避免電遷移效應(yīng)，可以增加連線的寬度，以保證通過連線的電流密度小于一個(gè)確定的值。（1）鋁的電遷移當(dāng)大密度電流流過金屬薄膜時(shí)，具有大動量的導(dǎo)電電子將于金屬原子發(fā)生動量交換，使金屬原子沿電子流的方向遷移，這種現(xiàn)象稱為金屬電遷移。電遷移會使金屬原子在陽極端堆積，形成小丘或晶須，造成電極間短路；在陰極端由于金屬空位的集聚而形成空洞，導(dǎo)致電路開路。9.2.3Al/Si接觸的尖楔現(xiàn)象圖9.3Al—Si接觸引線工藝T=500℃，t=30min，A=16μm，W=5μm，d=1μm，消耗Si層厚度z=0.35μm。（相當(dāng)于VLSI的結(jié)深）∵Si非均勻消耗，∴實(shí)際上，A*<<A，即Z*>>Z，故Al形成尖楔9.2.3Al/Si接觸的尖楔現(xiàn)象尖楔機(jī)理：Si在Al中的溶解度及快速擴(kuò)散，使Al像尖釘一樣楔進(jìn)Si襯底；深度：超過1μm；特點(diǎn)：<111>襯底；橫向擴(kuò)散<100>襯底；縱向擴(kuò)展MOS器件突出改善：Al中加1wt%—4wt%的過量Si9.4.2如何降低：RC常數(shù)：表征互連線延遲，即

ρ—互連線電阻率，l—互連線長度，ε—介質(zhì)層介電常數(shù)低ρ的互連線：Cu，ρ=1.72μΩcm；（Al，ρ=2.82μΩcm）低K（ε）的介質(zhì)材料：ε<3.59.4.3Cu互連工藝的關(guān)鍵Cu的淀積：不能采用傳統(tǒng)的Al互連布線工藝。（沒有適合Cu的傳統(tǒng)刻蝕工藝）低K介質(zhì)材料的選取與淀積：與Cu的兼容性，工藝兼容性，高純度的淀積，可靠性。勢壘層材料的選取和淀積：防止Cu擴(kuò)散；CMP和刻蝕的停止層。Cu的CMP平整化。大馬士革（鑲嵌式）結(jié)構(gòu)的互連工藝。低K介質(zhì)和Cu互連的可靠性。大碼士革（DualDamascene）（鑲嵌）工藝Cu的布線采用被稱為大馬士革（鑲嵌）工藝，在層間的介質(zhì)層被平坦化后，在介質(zhì)層上刻蝕出金屬連線的溝槽，先用濺射方法淀積一層薄的金屬勢壘（阻擋）層，防止Cu的擴(kuò)散和保證具有良好的黏附性；接著再用濺射方法淀積Cu的仔晶層，作為導(dǎo)電極板與電鍍液接觸，以激發(fā)電鍍的開始，滿足利用電鍍或化學(xué)鍍方法淀積Cu的需要；然后利用CVD或電化學(xué)方法（如電鍍或化學(xué)鍍）對溝槽和通孔同時(shí)進(jìn)行金屬Cu的填充淀積，Cu的淀積厚度要大于溝槽的深度，使溝槽完全被填滿，隨后在400℃左右進(jìn)行退火，最后進(jìn)行Cu的CMP和清潔工藝。Tradionalvs.DamasceneMetallization7.4互連技術(shù)多層布線技術(shù)（Multilevel-MultilayerMetallization）器件制備介質(zhì)淀積平坦化接觸及通孔的形成鈍化層淀積結(jié)束金屬化是否最后一層否是7.5化學(xué)機(jī)械拋光CMPCMP工藝：要拋光的表面、拋光墊(將機(jī)械力轉(zhuǎn)移到要拋光的表面)、拋光液（提供化學(xué)及機(jī)械兩種效果）。7.5化學(xué)機(jī)械拋光CMP近年來，CMP的發(fā)展對多層連線日趨重要，在于它是目前唯一可全局性平坦化（整個(gè)晶片表面變?yōu)橐粋€(gè)平坦的便面）的技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：對大小結(jié)構(gòu)可以得到較好的全面性平坦化、減少缺陷的密度及避免等離子體損傷。CMP的三種方法如下：化學(xué)機(jī)械拋光CMP必要性1）隨著特征尺寸的減小，受到光刻分辨率的限制：R↓，則λ↑和/或NA↑DOF下降?。。?！例如：0.25μm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，DOF≈208nm0.18μm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，DOF≈150nm≤0.25μm后，必須用CMP才能實(shí)現(xiàn)表面起伏度<200nm2)可以減少金屬在介質(zhì)邊墻處的減薄現(xiàn)象，改善金屬互聯(lián)性能不平坦時(shí)的臺階覆蓋問題使用CMP之后CMP三個(gè)關(guān)鍵硬件：PolishingpadWafercarrierSlurrydispenser接觸和互連總結(jié)

金半接觸類型：整流接觸：n-Si―M歐姆接觸：p-Si―Al，n+-Si/p+-Si―M硅化物接觸：低阻、歐姆接觸Al：電遷移、尖楔摻Cu/Si阻擋層：TiN，金屬硅化物平坦化技術(shù)：CMP

金屬硅化物作為接觸材料特點(diǎn)：類金屬，低電阻率（<0.01ρ多晶硅），高溫穩(wěn)定性好，抗電遷移能力強(qiáng)，與硅工藝兼容性好。常用接觸和擴(kuò)散阻擋Al/PtSi/SiAl/TiSi2/SiAl/NiSi/SiAl/CoSi2/SIAl/Ti/PtSi/SiAl/Ti3OW70/PtSi/SiAl/TiN/TiSi2/Si

淀積濺射LPCVD/PECVD

退火形成合適金屬化合物形成穩(wěn)定接觸界面降低電阻率

4.7.2難熔金屬硅化物柵及其復(fù)合結(jié)構(gòu)

為了提高速度和集成度，可按比例縮小器件的特征尺寸，當(dāng)特征線寬小于1.5μm時(shí)，多晶硅柵遇到問題：作為柵和局域互連材料的多晶硅的電阻率較高（大于500μΩ.cm），其寄生電阻限制了集成電路速度。作為替代多晶硅的材料，要求具有電阻率低、高溫穩(wěn)定性好，與集成電路工藝兼容等特點(diǎn)。Al電阻率低，但熔點(diǎn)太低（660℃）。W、Mo熔點(diǎn)高，但它們與硅柵刻蝕后的工藝不兼容。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)難熔金屬硅化物如TISI2、CoSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2等是替代多晶硅的理想材料。幾個(gè)概念柵結(jié)構(gòu)材料場區(qū)：硅片上不制作器件的區(qū)域（除柵區(qū)和有源區(qū)之外）柵區(qū)：柵極下方形成導(dǎo)電溝道的區(qū)域有源區(qū)：直接從外部接收和向外部送出電信號的區(qū)域（指MOS管的源區(qū)和漏區(qū)）Al-二樣化硅結(jié)構(gòu)多晶硅-二氧化硅結(jié)構(gòu)難熔金屬硅化物/多晶硅-二氧化物結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)金屬硅化物（Salicide）工藝沉淀多晶硅、刻蝕并形成側(cè)壁氧化層；沉淀Ti或Co等難熔金屬快速熱處理（RTP）并選擇腐蝕側(cè)壁氧化層上的金屬；最后形成Salicide結(jié)構(gòu)SOI：絕緣襯底上的硅4.8隔離技術(shù)PN結(jié)隔離場區(qū)隔離絕緣介質(zhì)隔離溝槽隔離1）標(biāo)準(zhǔn)場氧化隔離場氧化厚度是柵極氧化層的7～10倍。缺點(diǎn)：場氧化層厚；臺階覆蓋不好。

2）局域氧化隔離（LOCOS）工藝

優(yōu)點(diǎn)：臺階覆蓋好；自對準(zhǔn)溝阻注入，可節(jié)省隔離區(qū)面