集成电路工艺基础-09-金属化及多层互连课件.ppt
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- 集成电路 工艺 基础 09 金属化 多层 互连 课件
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1、电子科技大学中山学院Chap 9 金属化与多层互连金属化与多层互连v金属化金属化 金属及金属性材料在集成电路技术中的应用金属及金属性材料在集成电路技术中的应用 金属化的作用金属化的作用 将有源元件按设计的要求联结起来形成一个完整的将有源元件按设计的要求联结起来形成一个完整的电路和系统电路和系统 提供与外电源相连接的接点提供与外电源相连接的接点 互连和金属化不仅占去了相当的芯片面积,而互连和金属化不仅占去了相当的芯片面积,而且往往是且往往是限制电路速度限制电路速度的主要矛盾之所在。的主要矛盾之所在。电子科技大学中山学院金属材料的应用金属材料的应用v金属材料的用途及要求:金属材料的用途及要求: 栅
2、电极栅电极 与栅氧化层之间有良好的界面特性和稳定性与栅氧化层之间有良好的界面特性和稳定性 合适的功函数,满足合适的功函数,满足NMOS和和PMOS阈值电压阈值电压对称的要求对称的要求 多晶硅的优点多晶硅的优点 可以通过改变掺杂的类型和浓度来调节功函数可以通过改变掺杂的类型和浓度来调节功函数 与栅氧化层有很好的界面特性与栅氧化层有很好的界面特性 多晶硅栅工艺具有源漏自对准的特点多晶硅栅工艺具有源漏自对准的特点电子科技大学中山学院金属材料的应用金属材料的应用v金属材料的用途及要求:金属材料的用途及要求: 互连材料互连材料 电阻率小电阻率小 易于淀积和刻蚀易于淀积和刻蚀 好的抗电迁移特性好的抗电迁移
3、特性 Al Cu电子科技大学中山学院金属材料的应用金属材料的应用v金属材料的用途及要求:金属材料的用途及要求: 接触材料接触材料 良好的金属良好的金属/半导体接触特性(好的界面性和半导体接触特性(好的界面性和稳定性,接触电阻小,在半导体材料中的扩稳定性,接触电阻小,在半导体材料中的扩散系数小)散系数小) 后续加工工序中的稳定性;后续加工工序中的稳定性; 保证器件不失效保证器件不失效 Al 硅化物(硅化物(PtSi、CoSi)电子科技大学中山学院集成电路对金属化材料特性的要求集成电路对金属化材料特性的要求v基本要求:基本要求: 1 低阻的欧姆接触,低阻的互连引线低阻的欧姆接触,低阻的互连引线 2
4、 抗电迁移性能好抗电迁移性能好 3 附着性好附着性好 4 耐腐蚀耐腐蚀 5 易淀积和刻蚀易淀积和刻蚀 6 易键合易键合 7 互连层绝缘性好,层间不发生互相渗透和扩散,要互连层绝缘性好,层间不发生互相渗透和扩散,要求有一个扩散阻挡层。求有一个扩散阻挡层。电子科技大学中山学院集成电路对金属化材料特性的要求集成电路对金属化材料特性的要求v晶格结构和外延生长的影响晶格结构和外延生长的影响 薄膜的晶格结构决定其特性薄膜的晶格结构决定其特性v电学特性电学特性 电阻率、电阻率、TCR、功函数、肖特基势垒高度等、功函数、肖特基势垒高度等v机械特性、热力学特性以及化学特性机械特性、热力学特性以及化学特性电子科技
5、大学中山学院铝在集成电路中的应用铝在集成电路中的应用26/10cmRcmAl7 . 2v Al的优点:的优点: 电阻率低电阻率低 与与n+,p +硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触 与硅和与硅和BPSG有良好的附着性有良好的附着性 易于淀积和刻蚀易于淀积和刻蚀v故成为最常用互连金属材料故成为最常用互连金属材料电子科技大学中山学院金属铝膜的制备方法(金属铝膜的制备方法(PVD)v真空蒸发法(真空蒸发法(电子束蒸发)电子束蒸发) 利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源使之利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源使之蒸发淀积在硅片表面蒸发淀积在硅片表面v溅射法溅射法 射频、磁控溅
6、射射频、磁控溅射 污染小,淀积速率快,均匀性,台阶覆盖性好污染小,淀积速率快,均匀性,台阶覆盖性好电子科技大学中山学院Al/Si接触中的现象接触中的现象v 铝硅互溶铝硅互溶v Al与与SiO2的反应的反应电子科技大学中山学院 铝硅互溶铝硅互溶v铝硅相图铝硅相图 相图表示两种组分与温度的关系相图表示两种组分与温度的关系 Al-Si系具有系具有低共熔特性低共熔特性 Al-Si系的共熔温度为系的共熔温度为577,相应的组分配比为,相应的组分配比为Si占占11.3%,Al占占88.7% 淀积淀积Al时时Si衬底的温度不得高于衬底的温度不得高于577 插图表示插图表示Si在在Al中的固熔度中的固熔度 4
7、00 时,时,Si在在Al中的固熔度为中的固熔度为0.25%(重量比)(重量比) Al在在Si中的溶解度低,中的溶解度低,Si在在Al中的溶解度较高。中的溶解度较高。 故退火时,故退火时, 有相当可观的有相当可观的Si原子会溶到原子会溶到Al中中电子科技大学中山学院vSi在在Al中的扩散系数中的扩散系数 在一定的退火温度下,退火时间为在一定的退火温度下,退火时间为ta时,时,Si原原子的扩散距离为子的扩散距离为 其中其中D为扩散系数为扩散系数aSiDtL 铝硅互溶铝硅互溶电子科技大学中山学院Al与与SiO2的反应的反应vAl与与SiO2的反应的反应 4Al+ 3SiO2 3Si+2Al2O3
8、吃掉吃掉Si表面的表面的SiO2 ,降低接触电阻降低接触电阻 改善改善Al引线与下面引线与下面SiO2 的黏附性的黏附性电子科技大学中山学院Al/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象电子科技大学中山学院Al/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象电子科技大学中山学院Al/Si接触中的尖楔现象接触中的尖楔现象v Si溶解与溶解与Al中,消耗的中,消耗的Si体积为:体积为:v 假定假定Si在接触孔面积在接触孔面积A内是均匀消耗的,则内是均匀消耗的,则消耗掉的消耗掉的Si层的厚度为:层的厚度为:SiAlnnSdwDtV)(2SiAlnnSAdwDt)(2Z电子科技大学中山学院影响尖楔因素影响尖楔因素v
9、Al-Si界面的氧化层的厚度界面的氧化层的厚度 薄氧薄氧(尖楔较浅)尖楔较浅) 厚氧厚氧(尖楔较深)尖楔较深)v衬底晶向衬底晶向 111:横向扩展:横向扩展 、双极集成电路、双极集成电路 100:垂直扩展:垂直扩展 、pn结短路结短路 、MOS集成电路集成电路(尖楔现象严重)(尖楔现象严重)电子科技大学中山学院Al/Si接触的改进接触的改进vAl/Si接触的改进方法:接触的改进方法:铝铝-硅合金金属化引线硅合金金属化引线铝铝-掺杂多晶硅双层金属化结构掺杂多晶硅双层金属化结构铝铝-阻挡层结构阻挡层结构电子科技大学中山学院铝铝-硅合金金属化引线硅合金金属化引线-第第1种解决方案种解决方案v用用Al
10、-Si合金代替纯铝作为接触和互连材料合金代替纯铝作为接触和互连材料。v可消弱尖楔问题,却引起新的问题可消弱尖楔问题,却引起新的问题 硅的分凝问题硅的分凝问题在较高合金退火温度下溶解在较高合金退火温度下溶解在在Al中的中的Si,在冷却过程中又从,在冷却过程中又从Al中析出。中析出。 未溶解的硅形成一个个硅单晶节瘤未溶解的硅形成一个个硅单晶节瘤 欧姆接触电阻变大,引线键合困难欧姆接触电阻变大,引线键合困难电子科技大学中山学院双层金属化双层金属化-第第2种解决方案种解决方案v 铝铝-重掺杂多晶硅(重掺杂多晶硅(P,As) 在淀积铝膜前一般先淀积一层重在淀积铝膜前一般先淀积一层重P(As)掺)掺杂多晶
11、硅杂多晶硅 提供溶解于铝中所需的硅原子,从而抑制了尖提供溶解于铝中所需的硅原子,从而抑制了尖楔现象楔现象 铝铝-掺杂多晶硅双层金属化结构成功应用于掺杂多晶硅双层金属化结构成功应用于nMOS工艺中。工艺中。电子科技大学中山学院铝铝-阻挡层结构阻挡层结构-第第3种解决方案种解决方案v 可在铝、硅之间淀积一层薄金属层,代替重磷掺可在铝、硅之间淀积一层薄金属层,代替重磷掺杂多晶硅,称该薄金属层为阻挡层。一般用杂多晶硅,称该薄金属层为阻挡层。一般用硅化硅化物物代替金属,因为硅化物可以和硅表面的氧化层代替金属,因为硅化物可以和硅表面的氧化层发生反应,从而与硅有很好的附着作用和低的欧发生反应,从而与硅有很好
12、的附着作用和低的欧姆接触电阻。姆接触电阻。电子科技大学中山学院电迁移现象电迁移现象v在在较高的电流密度较高的电流密度作用下,互连引线中的金属原作用下,互连引线中的金属原子将会子将会沿着电子运动方向进行迁移沿着电子运动方向进行迁移,这种现象就,这种现象就是电迁移是电迁移(EM)。 本质是导体原子与通过该导体的电子流互相作本质是导体原子与通过该导体的电子流互相作用,对于铝就是铝原子沿着晶粒间界的扩散。用,对于铝就是铝原子沿着晶粒间界的扩散。v结果:结果: 一个方向形成空洞,使互连引线开路或断开。一个方向形成空洞,使互连引线开路或断开。 另一个方向则由于铝原子的堆积而形成小丘,另一个方向则由于铝原子
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