集成電路工藝原理7

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,集成電路工藝原理,第七章 金屬互聯(lián),本章概要,引言,金屬鋁,金屬銅,阻擋層金屬,硅化物,金屬淀積系統(tǒng),7.1 引言,概述,金屬化是芯片制造過程中在絕緣介質(zhì)薄膜上淀積金屬薄膜，通過光刻形成互連金屬線和集成電路的孔填充塞的過程。金屬線被夾在兩個絕緣介質(zhì)層中間形成電整體。高性能的微處理器用金屬線在一個芯片上連接幾千萬個器件，隨著互連復(fù)雜性的相應(yīng)增加，預(yù)計(jì)將來每個芯片上晶體管的密度將達(dá)到,10,億個。,由于,V,LSI,組件密度的增加，互連電阻和寄生電容也會隨之增加，從而降低了信號的傳播速度。,減小互連電阻可通過用

2、銅取代鋁作為基本的導(dǎo)電金屬而實(shí)現(xiàn)。對于亞微米的線寬，需要低,K,值層間介質(zhì)（,ILD,）。通過降低介電常數(shù)來減少寄生電容。,7.1 引言,概述,特征尺寸的縮小將導(dǎo)致互連引線橫截面面積和線間距的減小，電阻、電容、電感引起的寄生效應(yīng)將會嚴(yán)重影響電路的性能，包括信號傳輸延遲的增加和信號傳輸畸變顯著，使得互連性能降低。,實(shí)際上，當(dāng)集成電路技術(shù)發(fā)展到深亞微米技術(shù)時代以后，互連已成為確定集成電路性能、封裝密度、可靠性、生產(chǎn)率和成本的重要因素之一。當(dāng)集成電路技術(shù)進(jìn)入納米技術(shù)時代時，互連將成為制約集成電路性能提高和成本下降的主要因素。需要指出的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步和特征尺寸的縮小，互連引線間距的縮小和互連的密度

3、的增加，所需要的互連引線的層數(shù)也增加。,7.1 引言,多層金屬,7.1 引言,金屬化概念,芯片金屬化是指應(yīng)用化學(xué)或物理處理方法在芯片上淀積導(dǎo)電金屬膜的過程。這一過程與介質(zhì)的淀積緊密相關(guān)，金屬線在,IC,電路中傳輸信號，介質(zhì)層則保證信號不受鄰近金屬線的影響。,金屬化對不同金屬連接有專門的術(shù)語名稱?；ミB（,interconnect,）意指由導(dǎo)電材料（鋁、多晶硅或銅）制成的連線將信號傳輸?shù)叫酒牟煌糠??；ミB也被用做芯片上器件和整個封裝之間普通的金屬連接。接觸（,contact,）意指硅芯片內(nèi)的器件與第一層金屬之間在硅表面的連接。通孔（,via,）是穿過各種介質(zhì)層從某一金屬層到毗鄰的另一金屬層之間形

4、成電通路的開口。“填充薄膜”是指用金屬薄膜填充通孔，以便在兩金屬層之間形成電連接。,7.1 引言,金屬互聯(lián),層間介質(zhì)（,ILD,）是絕緣材料，它分離了金屬之間的電連接。,ILD,一旦被淀積，便被光刻刻蝕成圖形，以便為各金屬層之間形成通路。用金屬（通常是鎢,W,）填充通孔，形成通孔填充薄膜。在一個芯片上有許多通孔，據(jù)估計(jì)，一個,300mm,2,單層芯片上的通孔數(shù)達(dá)到一千億個。在一層,ILD,中制造通孔的工藝，在芯片上的每一層都被重復(fù)。,金屬化正處在一個過渡時期，隨著銅冶金術(shù)的介入正經(jīng)歷著快速變化以取代鋁合金。這種變化源于刻蝕銅很困難，為了克服這個問題，銅冶金術(shù)應(yīng)用雙大馬士革法處理，以形成通孔和銅

5、互連。這種金屬化過程與傳統(tǒng)金屬化過程相反（見下圖）。,7.1 引言,金屬互聯(lián),傳統(tǒng)互聯(lián)和大馬士革互聯(lián)的比較,7.1 引言,金屬類型,金屬類型,對,IC,工藝中的金屬材料的要求是：,導(dǎo)電率：,為維持電性能的完整性，必須具有高導(dǎo)電率，能夠傳導(dǎo)高電流密度。,粘附性：,能夠粘附下層襯底，容易與外電路實(shí)現(xiàn)電連接。與半導(dǎo)體和金屬表面連接時接觸電阻低。,淀積：,易于淀積并經(jīng)相對的低溫處理后具有均勻的結(jié)構(gòu)和組分 ( 對于合金 ) 。能夠?yàn)榇篑R士革金屬化工藝淀積具有高深寬比的間隙。,7.1 引言,金屬類型,刻印圖形/平坦化：,為傳統(tǒng)鋁金屬化工藝提供具有高分辨率的光刻圖形；大馬士革金屬化易于平坦化。,可靠性：,為

6、了在處理和應(yīng)用過程中經(jīng)受住溫度循環(huán)變化，金屬應(yīng)相對柔軟且有較好的延展性。,很好的抗腐蝕性，在層與層之間以及下層器件區(qū)具有最小的化學(xué)反應(yīng)。,應(yīng)力：,很好的抗機(jī)械應(yīng)力特性以便減少硅片的扭曲和材料失效，比如斷裂、空洞的形成和應(yīng)力誘導(dǎo)腐蝕。,7.1 引言,金屬類型,硅和硅片制造業(yè)中所選擇的金屬（在20）,7.2 金屬鋁,概述,在半導(dǎo)體制造業(yè)中，最早的互連金屬是鋁，目前在,VLSI,以下的工藝中仍然是最普通的互連金屬。在,21,世紀(jì)制造高性能,IC,工藝中，銅互連金屬有望取代鋁。然而，由于基本工藝中鋁互連金屬的普遍性， 所以選擇鋁金屬化的背景是有益的。,鋁在,20,時具有,2.65,-cm,的低電阻率，

7、比銅、金及銀的電阻率稍高。然而銅和銀都比較容易腐蝕，在硅和二氧化硅中有高的擴(kuò)散率，這些都阻止它們被用于半導(dǎo)體制造。另一方面，鋁能夠很容易和二氧化硅反應(yīng)，加熱形成氧化鋁（,AL,2,O,3,），這促進(jìn)了氧化硅和鋁之間的附著。還有鋁容易淀積在硅片上?；谶@些原因。鋁仍然作為首先的金屬應(yīng)用于金屬化。,鋁互聯(lián),7.2 金屬鋁,歐姆接觸,歐姆接觸,任何金屬與半導(dǎo)體的接觸一般總會形成肖特基勢壘。然而，為了不致破壞器件的電氣性能，作為電極系統(tǒng)的金屬-半導(dǎo)體接觸，是不希望有整流作用和少數(shù)載流子注入效應(yīng)的。也就是說，電極接觸應(yīng)當(dāng)盡量符合歐姆定律。電極系統(tǒng)的金屬-半導(dǎo)體接觸應(yīng)當(dāng)是歐姆接觸，這是對電極系統(tǒng)的基本要求

8、。,7.2 金屬鋁,歐姆接觸,7.2 金屬鋁,硅的熔點(diǎn)為1412，而純鋁的熔點(diǎn)為660。然而，鋁和硅熔合形成的合金實(shí)際上有更低的熔點(diǎn)，實(shí)際熔點(diǎn)依據(jù)它們的組分而定，例如：鋁含量占88.7%，硅含量占11.3%的合金，其熔點(diǎn)為577。這個溫度被稱為最低可熔化的溫度，它是合金在特殊組分下的最低可熔化溫度。這限制了以后工藝加工的最高溫度。,為了在鋁和硅之間形成接觸，加熱界面是必要的。這一過程通常在惰性氣體或還原的氫氣環(huán)境中，在450到500進(jìn)行。這個加熱烘烤過程也被稱為低溫退火或燒結(jié)。在硅上加熱烘烤鋁形成期望的電接觸界面，被稱為歐姆接觸。歐姆接觸有很低的電阻。,歐姆接觸結(jié)構(gòu),7.2 金屬鋁,出現(xiàn)的問題

9、,7.2 金屬鋁,結(jié)尖刺的問題,在固態(tài)情況下，,Al,在,Si,中幾乎不溶解，而,Si,在,Al,中的溶解度則比較高。這樣，在退火過程中，就會有相當(dāng)多的,Si,原子溶到,Al,中去，同時在,Si,中留下空位，而,Al,就進(jìn)入這些空位。形成結(jié)尖刺。,結(jié)尖刺有可能引起結(jié)短路，這一過程稱為結(jié)“穿通,”。,出現(xiàn)的問題,7.2 金屬鋁,結(jié)尖刺的問題可通過,在鋁中添加硅,和,阻擋層金屬化,兩種方法解決。第一種方法是利用鋁和硅的合金而不是純鋁。如果鋁中已經(jīng)有硅，那么硅從襯底向鋁中溶解的速度將會減慢。然而硅在鋁中形成合金的量是有限的，由于硅在鋁中凝結(jié)，可能導(dǎo)致節(jié)結(jié) ( 小的硅高濃度區(qū)域 ) 的形成。節(jié)結(jié)的形成

10、，可能明顯地增加接觸電阻，并且在節(jié)結(jié)點(diǎn)的局部加熱可能引起可靠性嚴(yán)重下降。解決結(jié)尖刺問題的主要方法是引入阻擋層金屬以抑制擴(kuò)散。,出現(xiàn)的問題,7.2 金屬鋁,電遷移問題,金屬化引線中的電遷移現(xiàn)象是一種在大電流密度作用下的質(zhì)量輸運(yùn)現(xiàn)象。質(zhì)量輸運(yùn)是沿電子流方向進(jìn)行的，結(jié)果在一個方向形成空洞，而在另一方向則由于鋁原子的堆積而形成小丘。簡單地說，電遷移現(xiàn)象是金屬線內(nèi)由高密度電流中的電子和原子的碰撞引起的原子的快速遷移，即導(dǎo)電電子與金屬離子間動量交換，電子將動量傳給金屬離子，使其由電極負(fù)端向正端運(yùn)動。,當(dāng)金屬為良導(dǎo)體、在直流電流密度比較大時，電遷移作用將是顯著的。于是金屬離子由電極負(fù)端向正端運(yùn)動（電子流方向

11、）。,在產(chǎn)生空洞的地方會引起連線減薄，可能會引起斷路。而在金屬原子堆積、形成小丘的地方，如果過多或大量的小丘形成，毗鄰的連線或兩層之間的連線有可能短接在一起。在超大規(guī)模集成電路技術(shù)、高級電路的設(shè)計(jì)中，芯片溫度會隨著電流密度而增加，這兩者都會使鋁芯片金屬化更易于引起電遷移。,出現(xiàn)的問題,7.2 金屬鋁,出現(xiàn)的問題,7.2 金屬鋁,傳統(tǒng)的鋁互聯(lián)工藝,7.2 金屬鋁,傳統(tǒng)的鋁互連工藝,1)首先在介質(zhì)層上淀積金屬層鋁；,2)然后光刻形成互連引線的光刻膠掩膜圖形；,3)以光刻膠作掩膜，刻蝕形成金屬互連引線的圖形；,4)除去光刻膠。,傳統(tǒng)的鋁互聯(lián)工藝,7.2 金屬鋁,概述,7.3 金屬銅,Cu,比,Al,

12、有更好的電遷移特性及電導(dǎo)率，因此，,Cu,互連技術(shù)的應(yīng)用將改善集成電路的可靠性及速度。利用,Cu,作為互連金屬材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的,Al,是人們一直希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。但由于一些關(guān)鍵的問題一直得不到很好的解決，,Cu,互連技術(shù)研究進(jìn)展緩慢，以致許多人曾悲觀地認(rèn)為，在集成電路中銅互連技術(shù)可能是無法實(shí)現(xiàn)的。,問題之一是,Cu,的污染問題，,Cu,是半導(dǎo)體的深能級雜質(zhì)，對半導(dǎo)體的載流子具有很強(qiáng)的陷阱效應(yīng)，同時,Cu,在,SiO,2,介質(zhì)中的擴(kuò)散很快，從而使,SiO,2,的介電性能嚴(yán)重退化；,另一個問題是,Cu,引線圖形的加工問題，由于一直難以找到可以刻蝕,Cu,金屬薄膜材料的化學(xué)試劑和刻蝕手段，而僅僅利用傳統(tǒng)

13、的互連加工工藝，一直難以實(shí)現(xiàn),Cu,的互連引線的圖形加工。,Cu,互連集成技術(shù)的突破是隨著化學(xué)機(jī)械拋光（,chemical mechanical polishing，CMP）,技術(shù)的發(fā)明、大馬士革工藝的提出和勢壘層材料技術(shù)的發(fā)展而取得的。人們研發(fā)出可以阻擋,Cu,擴(kuò)散的勢壘層材料技術(shù)成功地解決了,Cu,污染問題；而大馬士革結(jié)構(gòu)與,CMP,技術(shù)，成功地解決了,Cu,引線加工問題。,概述,7.3 金屬銅,概述,銅被普遍認(rèn)為是一種理想的候選材料。因此在深亞微米工藝（0.18,m,及以下），銅將逐步代替鋁成為硅片上多層布線的材料。利用銅代替鋁作為互連線代表了半導(dǎo)體工業(yè)的重要轉(zhuǎn)變，可使計(jì)算機(jī)芯片體積縮小

14、30，集成度提高一倍，如要達(dá)到6層,Cu/SiO,2,的,RC,要求，采用,AL/SiO,2,則需要12層，它們構(gòu)成的器件能滿足高頻、高集成度、大功率、大容量，使用壽命長的要求，它們速度提高40，并且可大幅降低成本，已受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，,Cu,成為集成電路的下一代導(dǎo)線。,7.3 金屬銅,銅的優(yōu)點(diǎn),7.3 金屬銅,IC,互連金屬化引入銅的優(yōu)點(diǎn)是 ：,電阻率的減小,在20時，互連金屬線的電阻率從鋁的2.65,cm,減小到銅的1.678,cm，,這減小,RC,的信號延遲 ， 增加芯片速度。,單純采用銅代鋁作為互連材料，可降低,RC,約40。使用銅互連線可以減少芯片上互連線的電阻，或者在保

15、持電阻不變的情況下，減小互連金屬的厚度來減小同一層內(nèi)互連線間的耦合電容，從而降低耦合噪聲和互連線的信號延遲。因此更加適合高頻器件和大功率器件,。,良好的抗電遷移性能,銅在抗電遷移能力方面要比鋁大一到兩個數(shù)量級，器件的壽命更長，可靠性更佳。,高熔點(diǎn),當(dāng),IC,中的電流密度過高，高熔點(diǎn)的材料比低熔點(diǎn)的材料更不易于發(fā)生電子遷移，原因在于前者有更高的界面擴(kuò)散激活能。鋁的熔點(diǎn)為660，銅的熔點(diǎn)為1083，所以銅更不易發(fā)生電子遷移。,銅的優(yōu)點(diǎn),7.3 金屬銅,更少的工藝步驟,用大馬士革方法處理銅具有減少工藝步驟 20% 到 30% 的潛力。,熱傳導(dǎo)率,Cu,具有更高的熱傳導(dǎo)率。,銅的優(yōu)點(diǎn),7.3 金屬銅,

16、Cu,作為互連材料存在的問題,銅在,Si,和二氧化硅（介質(zhì)材料）中是間隙雜質(zhì)，,Cu,在,Si,中擴(kuò)散相當(dāng)快，一旦進(jìn)入,Si,器件中會成為深能級受主雜質(zhì)，對半導(dǎo)體中的載流子具有強(qiáng)的陷阱效應(yīng)，使器件的性能退化甚至失效；同時,Cu,在,SiO,2,（,介質(zhì)材料）中擴(kuò)散相當(dāng)快，從而使,SiO,2,的介電性能嚴(yán)重退化，形成互連線的低擊穿；,對銅的挑戰(zhàn),7.3 金屬銅,Cu,是一種穩(wěn)定的惰性金屬，不像鋁那樣易與刻蝕離子發(fā)生反應(yīng)而被刻蝕。一直難以找到可以刻蝕,Cu,金屬薄膜材料的化學(xué)試劑和刻蝕手段，在傳統(tǒng)的干法腐蝕中，由于不能產(chǎn)生易揮發(fā)性鹵化物，因而不能用常規(guī)等離子體腐蝕工藝制備互連線圖形；,Cu,在空氣

17、中和低溫下（200）易氧化，而且不能像鋁一樣形成鈍化保護(hù)層來阻止自身進(jìn)一步被氧化和腐蝕；,對銅的挑戰(zhàn),7.3 金屬銅,對銅的挑戰(zhàn),7.3 金屬銅,銅對二氧化硅、硅等材料的粘附性很差；銅不像鋁那樣易于在硅或二氧化硅襯底上生長，結(jié)構(gòu)的不完美將導(dǎo)致電阻率的增大；,銅的擴(kuò)散會引起所謂中毒效應(yīng)，與硅在較低溫度下（200）反應(yīng)生成,Cu,3,Si，Cu,和,Si,形成化合物后電阻率將增大好幾倍，導(dǎo)致對有源區(qū)的沾污而引起漏電和,V,t,漂移。特別是當(dāng)其滲入到摻硼硅中時，會與硼發(fā)生反應(yīng)，形成,BCu,化合物而使硼的有效摻雜濃度降低。,Si,擴(kuò)散入銅中將增加銅的電阻率；,同時，芯片工作時，臨近金屬線之間施加的電

18、場也大大提高了銅的擴(kuò)散速率。,基于以上原因，必須采取有效措施來防止銅向硅中擴(kuò)散，解決以上問題一般是在沉積銅層之前再加一步，即在刻好的槽的襯底上濺射淀積約50,nm,厚的阻擋層，金屬擴(kuò)散阻擋層（,Ta，,TaN,等）或者介質(zhì)擴(kuò)散阻擋層（,Si,3,N,4,等），即在介質(zhì)層和金屬銅之間引入引入一層擴(kuò)散阻擋層，以提高銅與襯底的粘結(jié)性和阻止銅向,Si,或二氧化硅襯底的擴(kuò)散。,對銅的挑戰(zhàn),7.3 金屬銅,布線技術(shù),目前的布線技術(shù)有兩種，即傳統(tǒng)的,RIE,技術(shù)與新興的大馬士革工藝技術(shù)。大馬士革工藝技術(shù)較,RIE,技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：首先，,RIE,技術(shù)金屬的去除是用活性離子刻蝕的方法來形成圖案。但是，銅為惰性

19、金屬，本身不能像鋁一樣容易與刻蝕離子發(fā)生反應(yīng)而被刻蝕，鋁被刻蝕能產(chǎn)生氣態(tài)的附產(chǎn)物，而銅刻蝕產(chǎn)生的氣態(tài)附產(chǎn)物不易揮發(fā)，也就是說銅的圖案成型使用,RIE,技術(shù)有很大的技術(shù)難度，,RIE,刻蝕難以制備銅互連線的圖形。而大馬士革技術(shù)是用,CMP,來實(shí)現(xiàn)圖案成型，這就解決了這一技術(shù)難題。,7.3 金屬銅,布線技術(shù),7.3 金屬銅,其次，,RIE,技術(shù)中刻蝕溫度需要200250，但是大馬士革工藝技術(shù)的,CMP,過程是在常溫下進(jìn)行，這就使工藝大大簡化。再有，如果使用大馬士革工藝技術(shù)，則可以大批量生產(chǎn)，提高效率；最后，大馬士革工藝技術(shù)所用的設(shè)備簡單，成本低。一般來說，通常情況下，形成,Al,的布線一般采用,R

20、IE,技術(shù)，形成銅的布線使用大馬士革工藝技術(shù)。所以只能采用先刻蝕介質(zhì)再填充金屬互連材料的模式，大馬士革工藝成為目前唯一一種得到廣泛研究與應(yīng)用的銅圖形化技術(shù)。,布線技術(shù),7.3 金屬銅,RIE,技術(shù)中金屬的去除工序,大馬士革技術(shù)中金屬的去除工序,布線技術(shù),7.3 金屬銅,大馬士革結(jié)構(gòu)有兩種形式：,1)單大馬士革結(jié)構(gòu)（,single damascene）；,2),雙大馬士革結(jié)構(gòu)（,dual damascene）。,前者是一次只淀積一層金屬，后者是一次把一層通孔或接觸孔和它上面的那層互連線這兩層金屬的淀積在同一步驟中完成。這節(jié)省了工藝步驟并且消除了通孔（或接觸孔）和金屬線之間的界面，大大提高銅的抗電

21、遷移性。,布線技術(shù),7.3 金屬銅,布線技術(shù),7.3 金屬銅,雙大馬士革方法,SiO,2,淀積 淀積內(nèi)層氧化硅到希望的厚度。,Si,3,N,4,刻蝕阻擋層淀積厚250,的,Si,3,N,4,刻蝕阻擋層被淀積在內(nèi)層氧化硅上。,Si,3,N,4,需要致密，沒有針孔。,Si,3,N,4,布線技術(shù),7.3 金屬銅,確定通孔圖形和刻蝕光刻確定圖形、干法刻蝕通孔窗口進(jìn)入,Si,3,N,4,中，刻蝕完成后去掉光刻膠。,淀積保留介質(zhì)的,SiO,2,為保留層間介質(zhì)，,PECVD,氧化硅淀積。,布線技術(shù),7.3 金屬銅,Si,3,N,4,布線技術(shù),7.3 金屬銅,確定互連圖形光刻確定氧化硅槽圖形，帶膠。在確定圖形

22、之前將通孔窗口放在槽里。,刻蝕互連槽和通孔在層間介質(zhì)氧化硅中干法刻蝕溝道，停止在,Si,3,N,4,層。穿過,Si,3,N,4,層中的開口繼續(xù)刻蝕形成通孔窗口。,布線技術(shù),7.3 金屬銅,布線技術(shù),7.3 金屬銅,淀積阻擋層金屬在槽和通孔的底部及側(cè)壁淀積鉭和氮化鉭擴(kuò)散層,淀積銅種子層,淀積連續(xù)的銅種子層，種子層必須是均勻的并且沒有針孔,布線技術(shù),7.3 金屬銅,布線技術(shù),7.3 金屬銅,淀積銅填充用電化學(xué)淀積 (,BCD),淀積銅填充 ，既填充通孔窗也填充槽。,用,CMP,清除額外的銅,用化學(xué)機(jī)械平坦清除額外的銅，這一過程平坦化了表面并為下 道工序做了準(zhǔn)備。 最后的表面是一個金屬鑲嵌在介質(zhì)內(nèi)、

23、形成電路的平面結(jié)構(gòu)。,布線技術(shù),7.3 金屬銅,布線技術(shù),7.3 金屬銅,目前采用的淀積方法是，首先利用,PVD,技術(shù)中的濺射方法，淀積一薄的勢壘金屬層（阻擋層）和,Cu,的種子（籽晶層），然后利用電化學(xué)（電鍍或化學(xué)鍍）或,CVD,的方法進(jìn)行,Cu,金屬的通孔和溝槽填充，經(jīng)過約400的退火后，進(jìn)行,Cu,的,CMP,和清潔工藝。,Cu,籽晶層是為了滿足利用電鍍或化學(xué)鍍方法大規(guī)模填充,Cu,的需要而淀積的，基于保證通孔和溝槽有理想的圖形結(jié)構(gòu)，濺射淀積勢壘層和籽晶層時要求是保形淀積，為了保證有高的淀積速率，在對通孔和溝槽進(jìn)行填充時均采用,CVD、,電鍍或化學(xué)鍍等高淀積速率的方法。,布線技術(shù),7.3

24、 金屬銅,實(shí)驗(yàn)顯示，完全采用濺射方法填充形成的通孔和溝槽中，,Cu,由于容易形成空洞，所以可靠性并不好，其發(fā)生電遷移的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電鍍或化學(xué)鍍方法。盡管,CVD,方法是集成電路工藝中最常用的淀積技術(shù)之一，但由于其所淀積的,Cu,的可靠性比用電鍍或化學(xué)鍍方法淀積的要差，因此在,Cu,互連集成工藝中，目前普遍采用電鍍或化學(xué)鍍的方法向通孔和溝槽中淀積,Cu。,布線技術(shù),7.3 金屬銅,在硅片制造業(yè)中，與傳統(tǒng)的鋁互連工藝比較，雙大馬士革法具有減少工藝步驟 20% 到 30% 的 潛力。雙大馬士革法不僅有較少的制造步驟，而且排除或減少了傳統(tǒng)鋁互連金屬化中最難的步驟，包括鋁刻蝕和許多鎢與介質(zhì)的化學(xué)機(jī)械拋光

25、步驟。,布線技術(shù),7.3 金屬銅,概述,7.4 阻擋層金屬,提高歐姆接觸可靠性比較有效的方法是用阻擋層金屬，這種方法可消除諸如淺結(jié)材料擴(kuò)散或結(jié)尖刺的問題。阻擋金屬層是淀積金屬或金屬塞，作用是阻止層上下的材料互相混合。阻擋金屬層的厚度在特征尺寸為 0.25,m,這一代器件中的典型值約100,nm，,而在0.35,m,一代器件中的厚度為 400 到 600,nm，,阻擋金屬層厚度在 0.18,m,或更小的器件中計(jì)劃減到 23,nm,或更少。,阻擋層結(jié)構(gòu),7.4 阻擋層金屬,阻擋層金屬基本特性,7.4 阻擋層金屬,阻擋層金屬的基本特性是 ：,有很好的阻擋擴(kuò)散特性，使分界面兩邊材料 ( 如鎢和硅 )

26、的擴(kuò)散率在燒結(jié)溫度時很低。,高電導(dǎo)率、具有很低的歐姆接觸電阻。,在半導(dǎo)體和金屬之間有很好的附著。,抗電遷移。,在很薄并且高溫下具有很好的穩(wěn)定性。,抗侵蝕和氧化。,種類,通常用做阻擋層的金屬是一類具有高熔點(diǎn)、難熔的金屬,鈦（,Ti）：,用鈦?zhàn)鳛樽钃鯇拥膬?yōu)點(diǎn)可以增強(qiáng)鋁合金連線的附著、減小接觸電阻、減小應(yīng)力和控制電遷移。為了,得到好的阻擋特性，要清除硅片上的自然氧化層和氧化物殘留。,鈦鎢(,TiW,),和氮化鈦不(,TiN,),：,也是兩種普通的阻擋層金屬材料，它們阻止硅襯底和鋁之間的擴(kuò)散。,TiN,因其在鋁合金互連處理過程中的優(yōu)良阻擋特性，而被廣泛用于超大規(guī)模集成電路的制造。然而,TiN,和硅之間

27、的接觸電阻不小。為了解決這個問題 ，在,TiN,被淀積之前 ，先淀積一薄層鈦 ( 典型厚度為幾百埃或更少 )，這層,Ti,能與下層的硅反應(yīng)從而降低它的電阻。,7.4 阻擋層金屬,種類,對于銅互連來說，由于銅在硅和二氧化硅中都有很高的擴(kuò)散率，這種高擴(kuò)散率將破壞器件的性能。傳統(tǒng)的阻擋層金屬對銅來說阻擋作用不夠 , 銅需要由一層薄膜阻擋,完全封裝起來，這層封裝薄膜的作用是加固附著并有效地阻止擴(kuò)散。,鉭、氮化鉭和鉭硅氮 (,TaSiN,),都是阻擋層金屬的待選材料 。這個擴(kuò)散,阻擋層很薄 ( 約 50,nm )。,7.4 阻擋層金屬,種類,7.4 阻擋層金屬,概述,7.5 硅化物,阻擋層金屬與硅在一起

28、發(fā)生反應(yīng)，熔合時形成硅化物。硅化物是一種具有熱穩(wěn)定性的金屬化合物，并且在硅 /阻擋層金屬的分界面具有低的電阻率 。在芯片制作中，硅化物是非常重要的 ，因?yàn)闉榱颂岣咝酒阅?，需要減小許多源漏和柵區(qū)的接觸電阻。,多晶硅化物,7.5 硅化物,摻雜的多晶硅被用做柵電極，相對而言它有較高的電阻率 ( 約 500,cm)，,這導(dǎo)致了不應(yīng)有的,RC,信號延遲。鈦與多晶硅反應(yīng)生成多晶硅化物，對減小連接多晶硅的串聯(lián)電阻是有益的。,硅化物的形成,在硅化物形成過程中，先要去除留在硅表面的氧化硅來減小硅化物的接觸電阻。,然后把金屬淀積在硅片上,接著進(jìn)行高溫退火處理以形成硅化物材料。在有硅的區(qū)域,金屬與硅反應(yīng)形成硅化

29、物。在硅片表面的其他區(qū)域,如表面是氧化硅 (,SiO,2,)，,有很少或沒有硅化物形成。通常這個熱退火步驟在一個多腔集成設(shè)備中使用快速熱退火 (,RTA),處理。,硅化物與硅最終形成一個非常好的冶金接觸。,7.5 硅化物,硅化物特性,下表是一些硅化物的特性：,7.5 硅化物,7.5 硅化物,TiSi,2,對硅片制造而言，是最普通的用于接觸的硅化物,它用做晶體管硅有源區(qū)和鎢填充薄膜之間的接觸。它通常被稱為粘合劑，緊緊地把鎢和硅粘合在一起。它的優(yōu)點(diǎn)是高溫穩(wěn)定，比其它硅化物的電阻率低。,TiSi,2,作為接觸硅化物，在亞 0.25,m,技術(shù)的應(yīng)用中受到限制。對于超淺的源 / 漏結(jié)，接觸層正在變薄。硅

30、化物接觸層的電阻率隨著它的減薄而增加，因此,TiSi,2,不希望用做太薄的接觸層 。,硅化物特性,硅化物特性,7.5 硅化物,對0.18,m,或更低的器件技術(shù),鈷硅化物 (,CoSi,2,),是有希望的硅化物。這種硅化物經(jīng)退火處理以后,即使幾何尺寸降到0.18,m,或更低的深亞微米,它的接觸電阻值仍保持在一個比較低的水平（13到19,cm ）。 CoSi,2,的電阻之所以降低,是因?yàn)樗念w粒尺寸比,TiSi,2,的小了大約十倍。由于,CoSi,2,顆粒的尺寸較小，因此它的電接觸也比較容易形成。,注意硅化物不是阻擋層金屬。在一些硅化物中發(fā)現(xiàn)，硅迅速擴(kuò)散穿過硅化物進(jìn)入到金屬中。解決這個問題的方法是

31、在硅化物和金屬層之間淀積一層金屬阻擋層。普通硅化物阻擋層薄膜是氮化鈦（,TiN,），,它對鎢和鋁都有效。對于銅，用鉭（,Ta）,作阻擋層金屬。,蒸發(fā),7.6 金屬淀積系統(tǒng),蒸發(fā)是將待蒸發(fā)的材料放置在坩堝里，在真空系統(tǒng)中加熱并使之蒸發(fā)淀積到硅片表面的過程。在蒸發(fā)系統(tǒng)中通過保持高真空環(huán)境，蒸氣分子的平均自由程增加，撞到硅片表面形成薄膜。,蒸發(fā)最大的缺點(diǎn)是不能產(chǎn)生均勻的臺階覆蓋，在,VLSI,和,ULSI,中，金屬化需要能夠填充具有高深寬比的孔，并且產(chǎn)生等角的臺階覆蓋。蒸發(fā)技術(shù)不能形成具有深寬比大于10:1的連續(xù)薄膜。,蒸發(fā)的另一嚴(yán)重缺點(diǎn)是對淀積合金的限制。為了淀積有多種材料組成的合金，需要多個坩堝

32、，這是由于不同材料的蒸氣壓不同而產(chǎn)生的問題。,7.6 金屬淀積系統(tǒng),蒸發(fā)系統(tǒng),濺射,用高能粒子從某種物質(zhì)的表面撞擊出原子的物理過程叫濺射。濺射方法是大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中用來淀積不同金屬，包括鋁、鋁合金、鈦、鎢鈦合金和鎢的應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。,在濺射過程中，高能粒子撞擊具有高純度的靶材料固體平板，撞擊出靶原子，這些靶原子在真空中運(yùn)動，最后淀積在硅片上。,7.6 金屬淀積系統(tǒng),濺射系統(tǒng),7.6 金屬淀積系統(tǒng),濺射的優(yōu)點(diǎn),具有淀積并保持復(fù)雜合金組分的能力。,在開始濺射淀積以前，可以在真空中先進(jìn)行濺射清除表面上的氧化物等。,能夠淀積高溫熔化和難熔金屬。,能夠在直徑為200,mm,或更大的硅片上控制淀積均勻薄膜。,7.6 金屬淀積系統(tǒng),7.6 金屬淀積系統(tǒng),濺射的步驟,在高真空腔等離子體中產(chǎn)生正氬離子，并向具有負(fù)電勢的靶材料加速。,在加速過程中離子獲得動量，并轟擊靶。,離子通過物理過程從靶上撞擊出（濺射）原子，靶具有想要的材料組分。,被撞擊出的原子遷移到硅片表面。,被濺射的原子在硅片表面凝聚并形成薄膜，與靶材料比較，薄膜具有與它基本相同的材料組分。,額外材料由真空泵抽走。,THE END,謝謝大家！,