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(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,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(guò)程中在絕緣介質(zhì)薄膜上淀積金屬薄膜，通過(guò)光刻形成互連金屬線(xiàn)和集成電路的孔填充塞的過(guò)程。金屬線(xiàn)被夾在兩個(gè)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(xiàn)在一個(gè)芯片上連接幾千萬(wàn)個(gè)器件，隨著互連復(fù)雜性的相應(yīng)增加，預(yù)計(jì)將來(lái)每個(gè)芯片上晶體管的密度將達(dá)到,10,億個(gè)。,由于,V,LSI,組件密度的增加，互連電阻和寄生電容也會(huì)隨之增加，從而降低了信號(hào)的傳播速度。,減小互連電阻可通過(guò)用

2、銅取代鋁作為基本的導(dǎo)電金屬而實(shí)現(xiàn)。對(duì)于亞微米的線(xiàn)寬，需要低,K,值層間介質(zhì)（,ILD,）。通過(guò)降低介電常數(shù)來(lái)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(xiàn)橫截面面積和線(xiàn)間距的減小，電阻、電容、電感引起的寄生效應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響電路的性能，包括信號(hào)傳輸延遲的增加和信號(hào)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(shí)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(shí)代時(shí)，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(xiàn)間距的縮小和互連的密度

3、的增加，所需要的互連引線(xiàn)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(guò)程。這一過(guò)程與介質(zhì)的淀積緊密相關(guān)，金屬線(xiàn)在,IC,電路中傳輸信號(hào)，介質(zhì)層則保證信號(hào)不受鄰近金屬線(xiàn)的影響。,金屬化對(duì)不同金屬連接有專(zhuān)門(mén)的術(shù)語(yǔ)名稱(chēng)?；ミB（,interconnect,）意指由導(dǎo)電材料（鋁、多晶硅或銅）制成的連線(xiàn)將信號(hào)傳輸?shù)叫酒牟煌糠??；ミB也被用做芯片上器件和整個(gè)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(guò)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(kāi)口?！疤畛浔∧ぁ笔侵赣媒饘俦∧ぬ畛渫?，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(gè)芯片上有許多通孔，據(jù)估計(jì)，一個(gè),300mm,2,單層芯片上的通孔數(shù)達(dá)到一千億個(gè)。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(gè)過(guò)渡時(shí)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(gè)問(wèn)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(guò)程與傳統(tǒng)金屬化過(guò)程相反（見(jiàn)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(lèi)型,金屬類(lèi)型,對(duì),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(shí)接觸電阻低。,淀積：,易于淀積并經(jīng)相對(duì)的低溫處理后具有均勻的結(jié)構(gòu)和組分 ( 對(duì)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(lèi)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(guò)程中經(jīng)受住溫度循環(huán)變化，金屬應(yīng)相對(duì)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(lèi)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(shí)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(huì)形成肖特基勢(shì)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(shuō)，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(duì)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(gè)溫度被稱(chēng)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(guò)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(gè)加熱烘烤過(guò)程也被稱(chēng)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(chēng)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(wèn)題

9、,7.2 金屬鋁,結(jié)尖刺的問(wèn)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(guò)程中，就會(huì)有相當(dāng)多的,Si,原子溶到,Al,中去，同時(shí)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(guò)程稱(chēng)為結(jié)“穿通,”。,出現(xiàn)的問(wèn)題,7.2 金屬鋁,結(jié)尖刺的問(wèn)題可通過(guò),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(huì)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(wèn)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(wèn)題,7.2 金屬鋁,電遷移問(wèn)題,金屬化引線(xiàn)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(gè)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(jiǎn)單地說(shuō)，電遷移現(xiàn)象是金屬線(xiàn)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(dòng)量交換，電子將動(dòng)量傳給金屬離子，使其由電極負(fù)端向正端運(yùn)動(dòng)。,當(dāng)金屬為良導(dǎo)體、在直流電流密度比較大時(shí)，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(dòng)（電子流方向

11、）。,在產(chǎn)生空洞的地方會(huì)引起連線(xiàn)減薄，可能會(huì)引起斷路。而在金屬原子堆積、形成小丘的地方，如果過(guò)多或大量的小丘形成，毗鄰的連線(xiàn)或兩層之間的連線(xiàn)有可能短接在一起。在超大規(guī)模集成電路技術(shù)、高級(jí)電路的設(shè)計(jì)中，芯片溫度會(huì)隨著電流密度而增加，這兩者都會(huì)使鋁芯片金屬化更易于引起電遷移。,出現(xiàn)的問(wèn)題,7.2 金屬鋁,出現(xiàn)的問(wèn)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(xiàn)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(xiàn)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(wèn)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(guān)地認(rèn)為，在集成電路中銅互連技術(shù)可能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。,問(wèn)題之一是,Cu,的污染問(wèn)題，,Cu,是半導(dǎo)體的深能級(jí)雜質(zhì)，對(duì)半導(dǎo)體的載流子具有很強(qiáng)的陷阱效應(yīng)，同時(shí),Cu,在,SiO,2,介質(zhì)中的擴(kuò)散很快，從而使,SiO,2,的介電性能?chē)?yán)重退化；,另一個(gè)問(wèn)題是,Cu,引線(xiàn)圖形的加工問(wèn)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(xiàn)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(shì)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(shì)壘層材料技術(shù)成功地解決了,Cu,污染問(wèn)題；而大馬士革結(jié)構(gòu)與,CMP,技術(shù)，成功地解決了,Cu,引線(xiàn)加工問(wèn)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(xiàn)的材料。利用銅代替鋁作為互連線(xiàn)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(mǎn)足高頻、高集成度、大功率、大容量，使用壽命長(zhǎng)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(xiàn)。,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(shí)，互連金屬線(xiàn)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(hào)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(xiàn)可以減少芯片上互連線(xiàn)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(lái)減小同一層內(nèi)互連線(xiàn)間的耦合電容，從而降低耦合噪聲和互連線(xiàn)的信號(hào)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(gè)數(shù)量級(jí)，器件的壽命更長(zhǎng)，可靠性更佳。,高熔點(diǎn),當(dāng),IC,中的電流密度過(guò)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(wèn)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(huì)成為深能級(jí)受主雜質(zhì)，對(duì)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(shí),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?chē)?yán)重退化，形成互連線(xiàn)的低擊穿；,對(duì)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(xiàn)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(lái)阻止自身進(jìn)一步被氧化和腐蝕；,對(duì)銅的挑戰(zhàn),7.3 金屬銅,對(duì)銅的挑戰(zhàn),7.3 金屬銅,銅對(duì)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(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的不完美將導(dǎo)致電阻率的增大；,銅的擴(kuò)散會(huì)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(duì)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(shí)，會(huì)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(shí)，芯片工作時(shí)，臨近金屬線(xiàn)之間施加的電

18、場(chǎng)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(lái)防止銅向硅中擴(kuò)散，解決以上問(wèn)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(duì)銅的挑戰(zhàn),7.3 金屬銅,布線(xiàn)技術(shù),目前的布線(xiàn)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(lái)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(shuō)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(xiàn)的圖形。而大馬士革技術(shù)是用,CMP,來(lái)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(xiàn)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(guò)程是在常溫下進(jìn)行，這就使工藝大大簡(jiǎn)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(jiǎn)單，成本低。一般來(lái)說(shuō)，通常情況下，形成,Al,的布線(xiàn)一般采用,R

20、IE,技術(shù)，形成銅的布線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)之間的界面，大大提高銅的抗電

21、遷移性。,布線(xiàn)技術(shù),7.3 金屬銅,布線(xiàn)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(méi)有針孔。,Si,3,N,4,布線(xiàn)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(xiàn)技術(shù),7.3 金屬銅,Si,3,N,4,布線(xiàn)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(guò),Si,3,N,4,層中的開(kāi)口繼續(xù)刻蝕形成通孔窗口。,布線(xiàn)技術(shù),7.3 金屬銅,布線(xiàn)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(méi)有針孔,布線(xiàn)技術(shù),7.3 金屬銅,布線(xiàn)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(guò)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(gè)金屬鑲嵌在介質(zhì)內(nèi)、

23、形成電路的平面結(jié)構(gòu)。,布線(xiàn)技術(shù),7.3 金屬銅,布線(xiàn)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(shì)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(guò)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(mǎn)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(shì)壘層和籽晶層時(shí)要求是保形淀積，為了保證有高的淀積速率，在對(duì)通孔和溝槽進(jìn)行填充時(shí)均采用,CVD、,電鍍或化學(xué)鍍等高淀積速率的方法。,布線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(wèn)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(shí)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(lèi),通常用做阻擋層的金屬是一類(lèi)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(xiàn)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(guò)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(gè)問(wèn)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(lèi),對(duì)于銅互連來(lái)說(shuō)，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(duì)銅來(lái)說(shuō)阻擋作用不夠 , 銅需要由一層薄膜阻擋,完全封裝起來(lái)，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(gè)擴(kuò)散,阻擋層很薄 ( 約 50,nm )。,7.4 阻擋層金屬,種類(lèi),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(shí)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(duì)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(hào)延遲。鈦與多晶硅反應(yīng)生成多晶硅化物，對(duì)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(guò)程中，先要去除留在硅表面的氧化硅來(lái)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(méi)有硅化物形成。通常這個(gè)熱退火步驟在一個(gè)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(gè)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(duì)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(chēng)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(duì)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(duì)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(gè)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(guò)硅化物進(jìn)入到金屬中。解決這個(gè)問(wèn)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(duì)鎢和鋁都有效。對(duì)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(guò)程。在蒸發(fā)系統(tǒng)中通過(guò)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(tái)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(tái)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(duì)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(gè)坩堝

32、，這是由于不同材料的蒸氣壓不同而產(chǎn)生的問(wèn)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(guò)程叫濺射。濺射方法是大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中用來(lái)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(guò)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(dòng)，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(kāi)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(shì)的靶材料加速。,在加速過(guò)程中離子獲得動(dòng)量，并轟擊靶。,離子通過(guò)物理過(guò)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！,