第九章 金属化与多层互连

主 讲：毛 维mwxidian@126.com

西安电子科技大学微电子学院

绪论金属化：金属及金属性材料在 IC 中的应用。分类：（按功能划分）①MOSFET 栅电极材料－ MOSFET 器件的组成部分；②互连材料－将各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模 块。③接触材料－直接与半导体材料接触的材料， 以及提供与外部相连的接触点。 常用金属材料： Al 、 Cu 、 Pt 、 Au 、 W 、 Mo 等 常用的金属性材料：掺杂的 poly-Si ； 金属硅化物 --PtSi 、 Co

Si2、 WSi2； 金属合金 --AlSi 、 AuC

u 、 CuPt 、 TiB2 、 SiGe 、 ZrB2 、 TiC 、 MoC 、 TiN 。

绪论

9.1 集成电路对金属化材料的要求1. 形成低阻欧姆接触；2. 提供低阻互连线；3. 抗电迁移；4. 良好的附着性；5. 耐腐蚀；6. 易于淀积和刻蚀；7. 易键合；8. 层与层之间绝缘要好。

硅和硅片制造业中所选择的金属（在 20℃）材料 熔点（ ℃） 电阻率 (μΩ·cm)

硅（ Si ） 1412 ≈109

掺杂的多晶硅

1412 ≈500 到 525

铝（ Al ） 660 2.65

铜（ Cu ） 1083 1.678

钨（ W ） 3417 8

钛（ Ti ） 1670 60

钽（ Ta ） 2996 13 到 16

钼（ Mo ） 2620 5

铂（ Pt ） 1772 10

9.2 Al 的应用9.2.1 铝膜的制备方法 要求：污染小，淀积 速率快，均匀性、 台阶的覆盖好 方法：真空蒸发法 ( 电阻丝或电子束加热 )

溅射法 ( 目前的主流，质量好 )

9.2.2 Al/Si 接触的现象①Al/Si 互溶： Al 在 Si 中的溶解度非常低； Si 在 Al 中的溶解度相对较高； ②Si 在 Al 中扩散： Si 在 Al 薄膜中的扩散比在晶体 Al 中大 40 倍。③Al 与 SiO2反应： 3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3

好处：降低 Al/Si 欧姆接触电阻；改善 Al 与 SiO2的粘附性。

9.2.3 Al/Si 接触中的尖楔现象 图 9.3 Al-Si 接触引线工艺 T=500℃， t=30min. ， A=4.4μm2 ， W=5μm ， d=1μm ，则 消耗 Si 层厚度 Z=0.3μm 。∵Si 非均匀消耗，∴实际上， A*<<A ，即 Z*>>Z ，故 Al 形成尖楔

尖楔现象 机理： Si 在 Al 中的溶解度及 快速扩散。 特点：<111> 衬底：横向扩展<100> 衬底：纵向扩展 MOS 器件突出。

9.2.4 Al/Si 接触的改善①Al-Si 合金金属化引线：Al 中加 1wt ％ -4wt ％的过量 Si 。

新的问题：退火冷却后， Si 在Al膜的晶粒间界析出。影响：a. 析出 Si 形成单晶结瘤：导致局部过热，互连线失效；b. 析出 Si 与受主杂质Al形成 p+-n 结：使欧姆电阻增大， 肖特基势垒高度增

加。

②Al- 掺杂多晶 Si 双层金属化结构

图 9.5 Al- 未掺杂多晶硅接触

典型工艺： 重磷（砷）掺杂多晶硅薄膜。优点：抑制铝尖楔； 抑制 p+-n 结； 作为掺杂扩散源。

③Al- 阻挡层结构作用：替代重磷掺杂多晶硅典型工艺： PtSi ， Pd2Si 作欧姆接触材料， TiN 阻挡层。

9.2.5 电迁移现象及其改进方法

电迁移：大电流密度下发生质量（离子）输运。现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路； 在阴极端形成空洞，导致电极开路。机理：在大电流密度作用下，导电电子与铝金属离子发生

动量交换，使金属离子沿电子流方向迁移。

9.2.5 电迁移现象及其改进方法

改进电迁移的方法a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。b.Al-Cu 合金和 Al-Si-Cu 合金： Cu 等杂质的分凝降低 Al 在晶粒间

界 的扩

散系数。c.三层夹心结构： 两层 Al 之间加一层约 500Å 的金属过渡层， 如 Ti 、 Hf 、 Cr 、 Ta 。d. 新的互连线： Cu

oxmtt

lRC

2

9.3 Cu 及低 K 介质 问题的引出： 互连线延迟随器件尺寸的缩小而增加；亚微米尺寸，互连延迟大于栅（门）延迟。 如何降低 RC 常数——表征互连线延迟，即 ρ- 互连线电阻率， l- 互连线长度， ε-介质层介电常数 tm- 引线厚度， tox- 互连线下介质层厚度。 ①低 ρ 的互连线： Cu ， ρ=1.72μΩcm ； （ Al ， ρ=2.82μΩcm ） ②低 K （ ε ）的介质材料： ε<3.5

Cu 互连工艺的关键①Cu 的淀积：不能采用传统的 Al 互连布线工艺。 （没有适合 Cu 的传统刻蚀工艺）

②低 K介质材料的选取与淀积：与 Cu 的兼容性， 工艺兼容性，高纯度的淀积，可靠性。

③势垒层材料的选取和淀积：防止 Cu 扩散； CMP 和刻蚀的停止层。④Cu 的 CMP平整化。⑤大马士革（镶嵌式）结构的互连工艺。⑥低 K介质和 Cu 互连的可靠性。

9.3.2 Cu 互连工艺流程

RIE 技术中金属的去除工序

9.3.2 Cu 互连工艺流程

9.3.5 Cu 的淀积 主要问题：缺乏刻蚀 Cu 的合适的传统工艺。 解决：大马士革镶嵌工艺工艺流程： ①在低 K介质层上刻蚀出 Cu 互连线用的沟槽； ②CVD 淀积一层薄的金属势垒层：防止 Cu 的扩散； ③溅射淀积 Cu 的籽晶层：电镀或化学镀 Cu需要； ④沟槽和通孔淀积 Cu ：电镀或化学镀； ⑤400℃下退火； ⑥Cu 的 CMP 。

9.3.5 Cu 的淀积铜电镀工具

Cu 的电镀：①电镀液： CuSO4 + H2SO4

②硅片：接负极； Cu片：接正极；③化学反应： Cu+H2SO4→ Cu2+ + SO4

2- + H2

④Cu2+ ：向负极（硅片）迁移， Cu2+ +2e →Cu↓ ；

Cu 的化学镀： Cu2+ +2HCHO+4OH- →Cu+2H2O+H2

9.4 多晶硅及硅化物 多晶硅： CMOS 多晶硅栅、局域互连线；9.4.1 多晶硅栅技术 特点：源、漏自对准； CMOS 工艺流程（图 9.12 ） 多晶硅栅取代 Al 栅： p沟道MOS 器件的 VT降低 1.2-1.4V

（通过降低 ФMS） VT降低提高了器件性能： ①工作频率提高； ②功耗降低； ③集成度提高；

9.4.3 多晶硅互连及其局限性 互连延迟时间常数 RC ： Rs 、 l- - 互连线方块电阻和长度， εox、 tox- 多晶硅互连线下面介质层的介电常数和厚度； 局限性：电阻率过高；

ox

ox

t

lRsRC

2

9.5 VLSI 与多层互连 多层互连的提出： 互连线面积占主要； 时延常数 RC占主要。9.5.1 多层互连对 VLSI 的意义1. 使集成密度大大增加，集成度提高；2. 使单位芯片面积上可用的互连线面积大大增加；3. 降低互连延迟：①有效降低了互连线长度；②使所有互连线接近于平均长度；③降低连线总电容随连线间隔缩小而增加的效应；④减少了连线间的干扰，提高了频率；⑤加快了整个系统工作速度。4. 降低成本（目前 Cu 互连可高达 10 层）

9.5.2 多层互连对材料的要求1. 金属材料： ①低电阻率（小于 4μΩcm ）； ②表面平整； ③抗电迁移； ④台阶覆盖好； ⑤易刻蚀；2. 绝缘介质材料①低介电常数；②高击穿电压；③高电阻率：防止高泄漏电流；④台阶覆盖好；⑤易刻蚀； 常用绝缘介质材料： SiO2、 Al2O3、 PSG 、聚铣亚铵等。

9.5.3 多层互连的工艺流程

9.5.4 平坦化 台阶的存在：如，引线孔、通孔边缘； 影响：薄膜的覆盖效果； 改善： ①改进薄膜淀积的工艺： 行星旋转式真空蒸发装置； 溅射替代蒸发； ②PSG 、 BPSG回流； ③平坦化工艺

BPSG 回流工艺

牺牲层工艺：等离子刻蚀工艺

9.5.5 CMP 工艺CMP ： chemical mechanical planarization 化学机械平面化

或 chemical-mechanical polishing 化学机械抛光

9.5.5 CMP 工艺 CMP 的基本构成： ①磨盘：聚亚胺酯薄片 ②磨料： a. 反应剂：氧化剂； b.摩擦剂： SiO2 CMP 的基本机理： ①金属被氧化，形成氧化物； ②SiO2磨掉氧化物。 CMP 的主要问题： ①终点探测：采用中止层； ②清洗：毛刷 +清洗剂；