金属化与多层互连

第九章金属化与多层互连本章主要内容集成电路对金属化材料特性的要求铝在集成电路制造中的应用铜及低K介质多晶硅及硅化物大规模集成电路与多层互连金属材料在集成电路中的功能栅电极（现最常采用的是多晶硅）良好的界面特性和稳定性；合适的功函数。互连材料（铝、铜）电阻率小，易于淀积和刻蚀，好的抗电迁移特性。接触材料（金属材料、硅化物）良好的接触特性（界面性，稳定性，接触电阻小，在半导体材料中的扩散系数要小）；后续加工工序中的稳定性；保证器件不失效。金属化金属及金属性材料在集成电路技术中的应用被称为金属化。金属材料在集成电路中的功能及要求硅基集成电路中金属材料的基本要求能与硅基形成低阻的欧姆接触；长时期在较高电流密度负荷下，金属材料的抗电迁移性能要好；与绝缘体有良好的附着性；耐腐蚀；易于淀积和刻蚀；易于键合，而且键合点能长期工作；多层互连要求层与层间绝缘性好，层间不发生互相渗透和扩散。以上要求包括了电学特性、机械特性、热力学特性以及化学反应特性等。而且金属材料的晶格结构和外延生长特性等也对金属材料在集成电路中的应用产生影响。薄膜和衬底材料晶格结构匹配程度；界面附着稳定程度；薄膜晶化生长稳定性；淀积条件；材料纯净度；后续工艺处理的影响。影响金属单晶膜生长的因素晶格常数失配因子晶格常数失配因子描述晶格结构的匹配程度，定义为衬底材料的晶格常数af与薄膜材料的晶格材料as之差与衬底材料晶格常数之比：fsfaaa一、晶格结构和外延生长特性的影响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二、电学特性金属材料在集成电路应用时，须考虑的电学特性包括电阻率、电阻温度系数、功函数、与半导体接触的肖特基势垒高度等。三、机械特性多层薄膜体系中通常有应力存在，总应力可分为固有应力和热应力两部分。固有应力：由淀积生长条件决定，如晶格失配，结构，缺陷，表面效应（表面张力）等。热应力：由于衬底和薄膜热膨胀系数不同，生长温度与使用温度不同而造成的。集成电路对金属化材料特性的要求应力造成的危害对互连体系可靠性产生严重影响，导致互连线出现空洞，互连材料的电迁移也与应力的存在有关。解决措施多层薄膜体系的应力通过淀积生长适当的覆盖层减弱，若第一层薄膜受张力，覆盖层选择受压缩力的，经退火后应力转移，总应力减小。四、热力学和化学反应特性金属材料在半导体中的扩散，有可能导致器件失效；金属与半导体接触界面的可靠性与稳定性均与材料的化学反应特性及热力学特性密切相关；因此，材料的热力学特性以及化学反应特性在互连材料的选取以及结构设计时都是必须考虑的问题。铝在集成电路中的应用Al的优点电阻率低与n+、p+硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触与绝缘体良好的附着性易于淀积和刻蚀故铝成为最常用互连金属材料。一、金属铝膜的制备方法蒸发溅射可采用电阻加热蒸发或电子束蒸发法，较成熟，但制备的铝膜不能很好满足互连引线的要求。磁控溅射是目前集成电路工艺中广泛采用的形成金属膜的方法。Al/Si接触中的现象铝硅相图Al在Si中的溶解度低；Si在Al中的溶解度较高，故退火时，Si原子会溶到Al中，溶解量与退火温度时的溶解度、Ｓi在Ａl的扩散情况有关。Ｓi在Ａl中的扩散系数硅在铝薄膜中的扩散系数比在晶体铝中约大40倍。原因是因为杂质在晶粒间界的扩散系数大于晶体内扩散系数。Al与SiO2的反应4Al+3SiO23Si+2Al2O3吃掉Si表面的SiO2，降低接触电阻；改善与SiO2的黏附性。Al/Si接触中的尖楔现象Al/Si接触中的尖楔现象Al与Si接触时，Ａl在某些接触点，会像尖钉一样楔到Ｓi衬底中去，使p－n结失效。这种现象称为“尖楔”现象。当铝硅形成接触孔时，由于硅在铝中有可观溶解度，当硅在铝膜的晶粒间界中快速扩散而离开接触孔的同时，铝就向接触孔内运动，在接触孔面积范围内，被消耗掉的硅层厚度与结深相当，有可能使p－n结短路；实际上，硅在接触孔内不是均匀消耗的，只是通过几个点上消耗Ｓi，有效面积远小于接触孔面积，实际消耗的厚度也远大于均匀消耗深度。Al—Si界面的氧化层的厚度薄氧：由于铝膜与SiO2接触可以吃掉薄的SiO2，因而使Al/Si作用面积较大，尖楔的深度就较浅。厚氧：Al/Si作用面只限于几个点，不易扩展，但Si的消耗体积并不变，因此尖楔深度就比较大。衬底晶向〈111〉：此晶面硅原子双层密排面，各双层密排面之间原子间距比较大，因此尖楔倾向于横向扩展，尖楔是平底，在双极集成电路中较突出；〈100〉：尖楔倾向于垂直扩展，易使pn结短路。在MOS集成电路中，为减少界面态的影响，往往采用100晶面，故在MOS电路中较为突出。Al/Si接触中的尖楔现象影响尖楔深度和形状的原因Al-Si接触的改进铝-硅合金金属化引线铝-掺杂多晶硅双层金属化结构铝-阻挡层结构其它方法减小铝体积,采用Al/阻挡层/Al-Si-Cu降低Si在Al中的扩散系数铝-硅合金金属化引线用Ａl－Ｓi合金代替纯Ａl作为接触和互连材料。即在纯Al中加入硅饱和溶解度所需要的足够硅，以形成Al-Si合金材料。铝和硅在300℃以上可以在界面形成硅铝合金从而形成半导体和金属的欧姆接触(M-p+p,M-n+n结构),可消弱尖楔问题。硅的分凝问题,即在较高合金退火温度时溶解在Al中的硅，在冷却过程中又从Al中析出。析出的硅形成原子团，并逐步增大为一个个单晶结瘤，当大电流通过互连引线时，会发生明显的局部升温，甚至导致互连引线失效。另外，析出的硅在表面淀积，将使引线键合变得困难。出现的问题铝-掺杂多晶硅双层金属化结构铝与未掺杂多晶硅接触时，会发生重组现象。多晶硅晶粒间界处硅原子自由能较高，溶解在多晶硅晶粒间界铝中的硅浓度高，硅原子通过在铝中的扩散，从晶粒间界处向晶粒上的铝膜运输，且在那儿析出淀积，形成多晶硅重组现象。铝与掺杂多晶硅接触时，无重组现象。对于重磷或重砷掺杂的多晶硅，磷或砷在多晶硅晶粒间界分凝，使晶粒间界中的硅原子自由能减小，降低在铝中的溶解度。故在淀积铝膜前一般先淀积一层重掺杂磷或砷的多晶硅，提供溶解于铝中所需的硅原子，从而抑制了尖楔现象。为了解决上述问题，铝－掺杂多晶硅双层金属化结构是一个有效办法。铝-阻挡层结构在铝与硅之间淀积一层薄的金属层，替代重磷掺杂多晶硅层，阻止铝与硅之间的相互作用，从而限制尖楔问题。这层金属称为阻挡层。对阻挡层的要求如果希望阻挡层本身又作为欧姆接触材料时，则要求能与硅表面自然氧化层作用，破坏薄氧化层，且与硅有很好的附着作用和低的欧姆接触电阻。一般采用硅化物作为接触材料，阻挡层可采用TiN,TaN,WN。铝-阻挡层结构电迁移现象及其改进方法电迁移现象电迁移现象是一种在大电流密度作用下的质量输运现象。质量输运是沿电子流方向进行的，结果在一个方向形成空洞，在另一个方向则由于铝原子的堆积而形成小丘。电迁移现象的本质导体原子与通过该导体电子流之间的相互作用力。金属铝离子受到两个方向相反的力，一种为静电作用力，沿电流方向；一个是导电电子与金属离子发生能量交换，我们称为“电子风”作用力，沿电子流方向。在良导体中，电子对金属的屏蔽使静电作用力减小，金属离子会在阳极端堆积，在阴极端形成金属空洞。空洞使互连引线开路或断裂；堆积造成光刻的困难和多层布线之间的短路。电迁移现象的危害电迁移现象及其改进方法改进电迁移的方法（1）结构的影响和“竹状”结构的选择此结构晶粒间界垂直于电流方向，晶粒间界的扩散不起作用，铝原子在铝膜中的扩散系数和在单晶中类同，可以改善电迁移现象。电迁移现象及其改进方法改进电迁移的方法（2）采用铝-铜合金和铝-硅-铜合金（3）采用三层夹心结构在铝中附加合金成份，这些杂质在铝的晶粒间界的分凝，可以降低铝原子在铝晶粒间界的扩散系数，从而改善电迁移现象。在两个铝膜之间增加一个过渡的金属层，可以防止空洞穿透整个铝金属化引线。（4）采用新的互连材料，如铜。铜及低K介质互连引线的宽度越来越小,导致延迟时间可以与器件门的延迟时间相比较，因此降低互连引线的延迟成为很关键的问题。采用的一个重要方法是使用铜作为互连材料，使用低K材料作为介质层。铜的优点电阻率低，可减小引线的宽度和厚度，从而减小分布电容，降低了互连线的延迟时间；抗电迁移性能好，没有应力迁移，可靠性高。使用低k材料作为介质层，减小了分布电容，对降低互连线延迟时间同样起到重要的作用。互连引线的延迟时间mlRwt2moxlRCtt互连引线的电阻R与互连材料的电阻率ρ、连线长度l、引线宽度w、引线厚度tm有关，关系如下：由此可得互连引线的RC常数表达式互连系统的电容C与互连引线的几何尺寸以及互连引线下面介质层的介电常数ε和引线厚度tox有关，关系如下：oxwlCt由此可知，采用低电阻率的互连材料和低介电常数的介质材料可以有效降低互连系统的延迟时间。铜互连工艺的关键技术金属铜的淀积技术；低K介质材料的选择和淀积技术；势垒层材料的选择和淀积技术；铜的CMP平整化技术；互连集成工艺中的清洁工艺；大马士革结构的互连工艺；低k介质和Cu互连技术中的可靠性问题。金属Cu的淀积技术双大马士革（Dual-Damascence)(镶嵌)工艺特点：对任何一层进行互连材料淀积的同时进行该层与下层的通孔进行填充淀积,CMP时仅需对互连材料进行。优点：工艺简化，成本降低。将层间的介质层被平坦化之后，在介质层上刻蚀出金属连线用的沟槽；先淀积一层薄的金属势垒层，接着再利用溅射方法淀积Cu的籽晶层（激发电镀的开始）；然后利用CVD或电化学方法对沟槽和通孔同时进行金属Cu的填充淀积，Cu的淀积厚度要大于沟槽的深度，使沟槽完全被填满；然后是在400左右的温度下进行退火，最后进行Cu的CMP和清洁工艺。工艺流程：以Cu作为互连材料的工艺流程淀积和刻蚀停止层淀积介质材料光刻引线沟槽图形刻蚀引线沟槽去掉光刻胶光刻通孔图形刻蚀通孔去掉光刻胶去掉刻蚀停止层溅射势垒和籽晶层金属填充通孔CMP金属层以Cu作为互连材料的工艺流程IBM利用亚0.25μm技术制备的6层铜互连引线剖面以Cu作为互连材料的工艺流程低K介质材料和淀积技术低K介质材料低K介质材料是指介电常数比SiO2低的介质材料，介电常数一般小于3.5。采用低K介质材料作为互连，可降低寄生C,减少延迟时间，提高电路速度。低K介质材料需满足的条件（1）好的材料特性、热性能、介电性能和力学性能等；（2）与其他的互连材料的兼容；（3）与IC工艺兼容；（4）高纯度淀积，工艺成本低；（5）在器件寿命期间内高可靠性地工作。低K介质材料和淀积技术低K介质的淀积工艺旋涂工艺和CVD工艺（1）旋涂工艺工艺简单,缺陷密度低,产率高,易平整化,无须使用危险气体。（2）CVD工艺与IC工艺兼容,反应剂成本较旋涂工艺低,但设备价格高,适合应用的材料受到限制。低K介质材料和淀积技术三类低K介质材料（1）K=2.8-3.5HSQ薄膜,掺氟的氧化物,低K的旋涂玻璃三种。（2）K=2.5-2.8PAE,含氟的聚酰压胺,BCB,有机硅氧烷聚合物。（3）K≤2.0多孔型气凝胶薄膜材料、石英气凝胶薄膜材料、多氟的特富龙薄膜材料。要求：在经受CMP、刻蚀、热处理工艺之后不发生结构改变和性能的降低。1.与低K介质材料工艺兼容；2.对刻蚀停止层材料有高的选择性；3.能形成垂直图形；4.对Cu无刻蚀和腐蚀；5.刻蚀的残留物易清除；低K介质刻蚀工艺的主要要求低K介质材料和淀积技术低K介质刻蚀后的清洗清洗方法包括干法和湿法两种，其清洗机制包括物理和化学清洗两种方式。物理清洗:利用清洗剂（如去离子水）对残留物的物理冲刷作用；化学清洗：清洗剂与残留物发生化学反应，形成易挥发或易溶解的产物。低K介质材料和淀积技术清洗工艺完成的事项对通孔底部的Cu表面进行还原处理，以减小通孔的接触电阻；要有效去除介质上的各种残留物；在淀积金属势垒层材料之前，必须要完全去除介质结构特别是在侧墙表面的Cu离子的污染。关键清洗工