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第九章 金属化与多层互连. 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院. 绪论. 金属化：金属及金属性材料在 IC 中的应用。 分类：（按功能划分） ① MOSFET 栅电极材料－ MOSFET 器件的组成部分； ②互连材料－将各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模 块。 ③接触材料－直接与半导体材料接触的材料， 以及提供与外部相连的接触点。 常用金属材料：
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第九章 金属化与多层互连 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院
绪论 金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。 分类：（按功能划分） ①MOSFET栅电极材料－MOSFET器件的组成部分； ②互连材料－将各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模 块。 ③接触材料－直接与半导体材料接触的材料， 以及提供与外部相连的接触点。 常用金属材料： Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等 常用的金属性材料：掺杂的poly-Si； 金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2； 金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、 TiB2 、 SiGe 、 ZrB2、 TiC、MoC、TiN。
9.1 集成电路对金属化材料的要求 1. 形成低阻欧姆接触； 2. 提供低阻互连线； 3. 抗电迁移； 4. 良好的附着性； 5. 耐腐蚀； 6. 易于淀积和刻蚀； 7. 易键合； 8. 层与层之间绝缘要好。
9.2 Al的应用 9.2.1 铝膜的制备方法 • 要求：污染小，淀积 速率快，均匀性、 台阶的覆盖好 • 方法：真空蒸发法(电阻丝或电子束加热) 溅射法(目前的主流，质量好) 9.2.2 Al/Si接触的现象 ①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低； Si在Al中的溶解度相对较高； ②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中大40倍。 ③Al与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3 • 好处：降低Al/Si欧姆接触电阻；改善Al与SiO2的粘附性。
9.2.3 Al/Si接触中的尖楔现象 • 图9.3 Al-Si接触引线工艺 T=500℃，t=30min.， A=4.4μm2，W=5μm， d=1μm，则 消耗Si层厚度Z=0.3μm。 ∵Si非均匀消耗， ∴实际上，A*<<A，即 Z*>>Z，故 Al形成尖楔
尖楔现象 • 机理： Si在Al中的溶解度及 快速扩散。 • 特点： <111>衬底：横向扩展 <100> 衬底：纵向扩展 • MOS器件突出。
9.2.4 Al/Si接触的改善 ①Al-Si合金金属化引线：Al中加1wt％-4wt％的过量Si。 新的问题：退火冷却后，Si在Al膜的晶粒间界析出。 影响： a.析出Si形成单晶结瘤：导致局部过热，互连线失效； b.析出Si与受主杂质Al形成p+-n结：使欧姆电阻增大， 肖特基势垒高度增 加。
②Al-掺杂多晶Si 双层金属化结构 图9.5 Al-未掺杂多晶硅接触 典型工艺： 重磷（砷）掺杂多晶硅薄膜。 优点：抑制铝尖楔； 抑制p+-n结； 作为掺杂扩散源。
③Al-阻挡层结构 作用：替代重磷掺杂多晶硅 典型工艺： PtSi，Pd2Si 作欧姆接触材料， TiN阻挡层。
9.2.5 电迁移现象及其改进方法 电迁移：大电流密度下发生质量（离子）输运。 现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路； 在阴极端形成空洞，导致电极开路。 机理：在大电流密度作用下，导电电子与铝金属离子发生 动量交换，使金属离子沿电子流方向迁移。
9.2.5 电迁移现象及其改进方法 改进电迁移的方法 a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。 b.Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金：Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界 的扩散系数。 c.三层夹心结构： 两层Al之间加一层约500Å的金属过渡层， 如Ti、Hf、Cr、Ta。 d.新的互连线：Cu
9.3 Cu及低K介质 • 问题的引出： 互连线延迟随器件尺寸的缩小 而增加；亚微米尺寸，互连延迟 大于栅（门）延迟。 • 如何降低RC常数——表征互连线延迟，即 • ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数 tm-引线厚度，tox-互连线下介质层厚度。 ①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm； （Al，ρ=2.82μΩcm） ②低K（ε）的介质材料： ε<3.5
Cu互连工艺的关键 ①Cu的淀积：不能采用传统的Al互连布线工艺。 （没有适合Cu的传统刻蚀工艺） ②低K介质材料的选取与淀积：与Cu的兼容性， 工艺兼容性，高纯度的淀积，可靠性。 ③势垒层材料的选取和淀积：防止Cu扩散； CMP和刻蚀的停止层。 ④Cu的CMP平整化。 ⑤大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺。 ⑥低K介质和Cu互连的可靠性。
9.3.2 Cu互连工艺流程 RIE技术中金属的去除工序
9.3.5 Cu的淀积 • 主要问题：缺乏刻蚀Cu的合适的传统工艺。 • 解决：大马士革镶嵌工艺工艺流程： ①在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽； ②CVD淀积一层薄的金属势垒层：防止Cu的扩散； ③溅射淀积Cu的籽晶层：电镀或化学镀Cu需要； ④沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀； ⑤400℃下退火； ⑥Cu的CMP。
铜电镀工具 9.3.5 Cu的淀积 • Cu的电镀： ①电镀液：CuSO4 + H2SO4 ②硅片：接负极；Cu片：接正极； ③化学反应：Cu+H2SO4→ Cu2+ + SO42- + H2 ④Cu2+ ：向负极（硅片）迁移，Cu2+ +2e →Cu↓； • Cu的化学镀： Cu2+ +2HCHO+4OH- →Cu+2H2O+H2
9.4 多晶硅及硅化物 • 多晶硅：CMOS多晶硅栅、局域互连线； 9.4.1 多晶硅栅技术 • 特点：源、漏自对准； • CMOS工艺流程（图9.12） • 多晶硅栅取代Al栅： p沟道MOS器件的VT降低1.2-1.4V （通过降低ФMS） • VT降低提高了器件性能： ①工作频率提高； ②功耗降低； ③集成度提高；
9.4.3 多晶硅互连及其局限性 • 互连延迟时间常数RC： • Rs、 l--互连线方块电阻和长度， εox、tox-多晶硅互连线下面介质层的介电常数和厚度； • 局限性：电阻率过高；
9.5 VLSI与多层互连 • 多层互连的提出： 互连线面积占主要； 时延常数RC占主要。 9.5.1 多层互连对VLSI的意义 1.使集成密度大大增加，集成度提高； 2.使单位芯片面积上可用的互连线面积大大增加； 3.降低互连延迟： ①有效降低了互连线长度； ②使所有互连线接近于平均长度； ③降低连线总电容随连线间隔缩小而增加的效应； ④减少了连线间的干扰，提高了频率； ⑤加快了整个系统工作速度。 4. 降低成本 （目前Cu互连可高达10层）
9.5.2 多层互连对材料的要求 1. 金属材料： ①低电阻率（小于4μΩcm）； ②表面平整； ③抗电迁移； ④台阶覆盖好； ⑤易刻蚀； 2.绝缘介质材料 ①低介电常数； ②高击穿电压； ③高电阻率：防止高泄漏电流； ④台阶覆盖好； ⑤易刻蚀； • 常用绝缘介质材料：SiO2、Al2O3、PSG、聚铣亚铵等。
9.5.4 平坦化 • 台阶的存在：如，引线孔、通孔边缘； • 影响：薄膜的覆盖效果； • 改善： ①改进薄膜淀积的工艺： 行星旋转式真空蒸发装置； 溅射替代蒸发； ②PSG、BPSG回流； ③平坦化工艺
9.5.5 CMP工艺 CMP：chemical mechanical planarization化学机械平面化 或 chemical-mechanical polishing 化学机械抛光
9.5.5 CMP工艺 • CMP的基本构成： ①磨盘：聚亚胺酯薄片 ②磨料： a.反应剂：氧化剂； b.摩擦剂：SiO2 • CMP的基本机理： ①金属被氧化，形成氧化物； ②SiO2磨掉氧化物。 • CMP的主要问题： ①终点探测：采用中止层； ②清洗：毛刷+清洗剂；
