第十五讲接触与互连

集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.021/47集成电路工艺原理仇志军[e-mail]邯郸校区物理楼435室集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.022/47大纲第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章接触与互连第十一章后端工艺与集成第十二章未来趋势与挑战集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.023/47后端工艺backendofthelinetechnology(BEOL)——将器件连接成特定的电路结构：金属线及介质的制作，使得金属线在电学和物理上均被介质隔离。全局互连（Al）局部互连（多晶硅,硅化物,TiN）（IMD）接触（contact）—金属和硅的结合部通孔（via）—用于连接不同层的金属连线金属间介质（IMD）钝化层（passivation）（PMD）集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.024/47集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.025/47后端工艺越来越重要占了工艺步骤中大部分影响IC芯片的速度多层金属互连增加了电路功能并使速度加快集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.026/47互连的速度限制可以作简单的估计由全局互连造成的延迟可以表达为：其中eox是介质的介电常数，K是边缘场效应的修正系数，r是金属线的电阻率e集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.027/47各种延迟减小互连延迟的途径:1）低电阻率金属(Cu)2）low-k介质集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.028/47对IC金属化系统的主要要求(1)金属和半导体形成低阻接触(2)低阻互连(3)与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好(4)台阶覆盖好(5)结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象(6)易刻蚀(7)制备工艺简单电学、机械、热学、热力学及化学集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.029/47可能形成互连的导电材料金属（metal）：lowresistivity多晶硅（poly–Si）：Mediumresistivity)硅化物（metalsilicides）：介于以上二者之间集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0210/47PropertiesofInterconnectMaterialsMaterialThinfilmresistivity(cm)Meltingpoint(oC)Al2.7-3.0660W8-153410Cu1.7-2.01084Ti40-701670PtSi28-351229C54TiSi213-161540WSi230-702165CoSi215-201326NiSi12-20992TiN50-1502950Ti30W7075-2002200Heavilydopedpoly-Si450-100001417集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0211/47定义：零偏压附近电流密度随电压的变化率01VcdVdJr比接触电阻rc的单位:cm2或m2接触电阻：衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻rc重掺杂硅金属线接触面积A金属－Si之间，rc在10-5～10-9cm2金属－金属之间，rc10-8cm2ARccr集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0212/47欧姆接触整流接触金半接触集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0213/47当金属与半导体之间的载流子输运以隧道穿透为主时，rc与半导体的掺杂浓度N及金－半接触的势垒高度qb有下面的关系qb在数值上等于金属费米能级上的电子进入半导体所需的能量。结论：要获得低接触电阻的金-半接触，必须减小金-半接触的势垒高度及提高半导体的掺杂浓度n+~1019-1021/cm3,p+1019/cm3Nmqsbcer*2exp集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0214/47形成欧姆接触的方式低势垒欧姆接触：一般金属和p型半导体的接触势垒较低高掺杂欧姆接触Al/n-typeSi势垒高度0.7eV需高掺杂欧姆接触Al/p-typeSi势垒高度0.4eV1.12eV集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0215/47常用金属-n型硅之间的肖特基势垒高度Eg(Si)＝1.12eVCu硅化物集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0216/47在降低接触尺寸时减小接触电阻的一些措施在金属/半导体界面增加掺杂浓度-由杂质固溶度限制用具有低肖特基势垒的技术-在制备CMOS时，最好的选择时Mid-GapBarrier增加接触的有效面积*****-接触整个结面积，而不仅仅是接触孔面积用自对准硅化物技术（self-alignedsilicide，SALICIDE）：与多晶栅和隔离自对准集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0217/47SALICIDEProcess(a)BasicMOSFETstructurefabricatedSiO2sourcegatedrain(d)Selectiveremovalofunreactedmetal+2ndannealat500-850oCSiO2silicideSiO2silicideunreactedmetal(c)1stannealinN2at300-700°CSiO2sourcegatedrainmetal(b)Metaldeposition集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0218/47最常用的材料是Al：采用溅射淀积Al金属化系统失效的现象Al的电迁移（Electromigration）Al/Si接触中的尖楔现象Cu正全面取代Al铝互连技术集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0219/47（1）铝的电迁移当大密度电流流过金属薄膜时，具有大动量的导电电子将与金属原子发生动量交换，使金属原子沿电子流的方向迁移，这种现象称为金属电迁移电迁移会使金属原子在阳极端堆积，形成小丘或晶须，造成电极间短路；在阴极端由于金属空位的积聚而形成空洞，导致电路开路evoidHillock集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0220/47集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0221/47(2)Al/Si接触中的尖楔现象1）硅和铝不能发生化学反应形成硅化物，但是退火温度下（400-500C），硅在铝中的固溶度较高（固溶度随温度呈指数增长），会有相当可观的硅原子溶解到Al中。2）退火温度下，Si在Al膜中的扩散系数非常大——在薄膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的40倍。3)Al和SiO2会发生反应：4Al+3SiO22Al2O3+3SiAl与Si接触时，Al可以“吃掉”Si表面的天然SiO2层(～1nm)，使接触电阻下降；可以增加Al与SiO2的粘附性。SiO2厚度不均匀，会造成严重的尖楔现象。集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0222/47铝的尖楔SEM照片集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0223/47合金化合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力。在300oC以上，硅就以一定比例熔于铝中，在此温度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成一层很薄的Al-Si合金。Al通过Al-Si合金和接触孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触Al-Si系统一般合金温度为450-500C集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0224/47解决电迁移问题的方法在Al中加入0.5～4％的Cu可以降低铝原子在晶间的扩散系数。但同时电阻率会增加！铝中加入少量Si（~1%）利用扩散阻挡层(DiffusionBarrier）：TiN，TiW，W及难熔金属硅化物；500C稳定解决尖楔问题的方法集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0225/47金属硅化物作为接触材料特点：类金属，低电阻率（0.01r多晶硅），高温稳定性好，抗电迁移能力强，与硅工艺兼容性好常用接触和扩散阻挡淀积溅射LPCVD/PECVD退火形成合适金属化合物形成稳定接触界面降低电阻率集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0226/47通孔—W塞(W-stud)电阻率介于铝和硅化物之间1m后，充填能力强，台阶覆盖能力强热稳定性好低应力抗电迁移能力和抗腐蚀能力强)(6)()(3)()(6)(3)(2)(3)(2450262430046gHFgWgHgWFgHgSiFgWgSiHgWFCCLPCVD钨与SiO2等各种常用介质粘附不好，需要粘附层TiN；为了降低接触电阻，Si和TiN需加入Ti作为接触层W/TiN/Ti/Si钨塞两步法填充：硅烷法较低气压下成核生长＋氢气法快速完全填充集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0227/47集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0228/47介质层（inter-metaldielectric）SiO2－CVD（SiH4源)、PECVDSiO2（TEOS），SOG…低介电常数材料必须满足诸多条件，例如：足够的机械强度以支撑多层连线的架构高杨氏系数高击穿电压（4MV/cm）低漏电（10-9A/cm2at1MV/cm）高热稳定性（450oC）良好的粘合强度低吸水性低薄膜应力高平坦化能力低热涨系数以及与化学机械抛光工艺的兼容性…..Low-kintegration集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0229/47HDPCVD淀积（填充）介质薄膜USG（Un-dopedSilicateGlass）：SiH4+O2+ArUSG+挥发物FSG（FluorosilicateGlass）：SiH4+SiF4+O2+ArFSG+挥发物PSG（PhosphossilicateGlass）：SiH4+PH3+O2PSG+挥发物集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0230/47MaterialsDielectricconstantMethodF-SiO2(FSG)3.2-4.0CVDSiCOF2.5-2.7PECVDSiOC(SiCOH)2.3-2.8PECVDHydrogenatedDLC(diamond-likecarbon)2.6-3.3PECVDBN3.7-6.0CVDa-CN2.4-3.6PVDa-C:F2.0-2.6PECVDlowka-C:H集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0231/47MaterialsDielectricconstantMethodSiLK2.7Spin-onPolyimide3.1-3.4Spin-onF-Polyimide2.6-2.9Spin-onParylene-N2.7CVDParylene-F2.4-2.5CVDMethylsilazane2.7Spin-onFLARE2.4-2.7Spin-onOSG2.6-2.9Spin-onHSQ2.9-3.2Spin-onMSQ2.5-3.0Spin-onLowkpolymer集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0232/47Airgap集成电路工艺原理第十章接触及互连原理INFO130024.0233/47多层布线技术（Multilevel-MultilayerMetallization）器件制备介质淀积结束金属化平坦化接