Chap9金屬化與多層互連金屬化金屬及金屬性材料在集成電路技術中的應用金屬化的作用將有源元件按設計的要求聯結起來形成一個完整的電路和系統提供與外電源相連接的接點互連和金屬化不僅占去了相當的芯片面積，而且往往是限制電路速度的主要矛盾之所在。Chap9金屬化與多層互連金屬化金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：柵電極與柵氧化層之間有良好的界面特性和穩定性合適的功函數，滿足NMOS和PMOS閾值電壓對稱的要求多晶硅的優點可以通過改變摻雜的類型和濃度來調節功函數與柵氧化層有很好的界面特性多晶硅柵工藝具有源漏自對準的特點金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：互連材料電阻率小易于淀積和刻蝕好的抗電遷移特性AlCu金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：接觸材料良好的金屬/半導體接觸特性（好的界面性和穩定性，接觸電阻小，在半導體材料中的擴散系數小）后續加工工序中的穩定性；保證器件不失效Al硅化物（PtSi、CoSi）金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：集成電路對金屬化材料特性的要求基本要求：1低阻的歐姆接觸，低阻的互連引線2抗電遷移性能好3附著性好4耐腐蝕5易淀積和刻蝕6易鍵合7互連層絕緣性好，層間不發生互相滲透和擴散，要求有一個擴散阻擋層。集成電路對金屬化材料特性的要求基本要求：集成電路對金屬化材料特性的要求晶格結構和外延生長的影響薄膜的晶格結構決定其特性電學特性電阻率、TCR、功函數、肖特基勢壘高度等機械特性、熱力學特性以及化學特性集成電路對金屬化材料特性的要求晶格結構和外延生長的影響鋁在集成電路中的應用

Al的優點：電阻率低與n+,p+硅或多晶硅能形成低阻的歐姆接觸與硅和BPSG有良好的附著性易于淀積和刻蝕故成為最常用互連金屬材料鋁在集成電路中的應用Al的優點：金屬鋁膜的制備方法（PVD）真空蒸發法（電子束蒸發）利用高壓加速并聚焦的電子束加熱蒸發源使之蒸發淀積在硅片表面濺射法射頻、磁控濺射污染小，淀積速率快，均勻性，臺階覆蓋性好金屬鋁膜的制備方法（PVD）真空蒸發法（電子束蒸發）Al/Si接觸中的現象鋁硅互溶Al與SiO2的反應Al/Si接觸中的現象鋁硅互溶鋁硅互溶鋁硅相圖相圖表示兩種組分與溫度的關系Al-Si系具有低共熔特性Al-Si系的共熔溫度為577℃，相應的組分配比為Si占11.3%，Al占88.7%淀積Al時Si襯底的溫度不得高于577℃插圖表示Si在Al中的固熔度400℃時，Si在Al中的固熔度為0.25%（重量比）Al在Si中的溶解度低，Si在Al中的溶解度較高。故退火時，有相當可觀的Si原子會溶到Al中鋁硅互溶鋁硅相圖集成電路工藝基礎——09-金屬化及多層互連課件11Si在Al中的擴散系數在一定的退火溫度下，退火時間為ta時，Si原子的擴散距離為其中D為擴散系數鋁硅互溶Si在Al中的擴散系數鋁硅互溶Al與SiO2的反應Al與SiO2的反應4Al+3SiO2→3Si+2Al2O3吃掉Si表面的SiO2，降低接觸電阻改善Al引線與下面SiO2

的黏附性Al與SiO2的反應Al與SiO2的反應Al/Si接觸中的尖楔現象Al/Si接觸中的尖楔現象Al/Si接觸中的尖楔現象Al/Si接觸中的尖楔現象Al/Si接觸中的尖楔現象

Si溶解與Al中，消耗的Si體積為：假定Si在接觸孔面積A內是均勻消耗的，則消耗掉的Si層的厚度為：Al/Si接觸中的尖楔現象Si溶解與Al中，消耗的Si體積影響尖楔因素Al-Si界面的氧化層的厚度薄氧(尖楔較淺）厚氧(尖楔較深）襯底晶向〈111〉：橫向擴展、雙極集成電路〈100〉：垂直擴展、pn結短路、MOS集成電路（尖楔現象嚴重）影響尖楔因素Al-Si界面的氧化層的厚度Al/Si接觸的改進Al/Si接觸的改進方法：鋁-硅合金金屬化引線鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結構鋁-阻擋層結構Al/Si接觸的改進Al/Si接觸的改進方法：鋁-硅合金金屬化引線-第1種解決方案用Al-Si合金代替純鋁作為接觸和互連材料。可消弱尖楔問題，卻引起新的問題硅的分凝問題——在較高合金退火溫度下溶解在Al中的Si，在冷卻過程中又從Al中析出。未溶解的硅形成一個個硅單晶節瘤歐姆接觸電阻變大，引線鍵合困難鋁-硅合金金屬化引線-第1種解決方案用Al-Si合金代替純鋁雙層金屬化-第2種解決方案鋁-重摻雜多晶硅（P,As）在淀積鋁膜前一般先淀積一層重P（As）摻雜多晶硅提供溶解于鋁中所需的硅原子，從而抑制了尖楔現象鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結構成功應用于nMOS工藝中。雙層金屬化-第2種解決方案鋁-重摻雜多晶硅（P,As）鋁-阻擋層結構-第3種解決方案可在鋁、硅之間淀積一層薄金屬層，代替重磷摻雜多晶硅，稱該薄金屬層為阻擋層。一般用硅化物代替金屬，因為硅化物可以和硅表面的氧化層發生反應，從而與硅有很好的附著作用和低的歐姆接觸電阻。鋁-阻擋層結構-第3種解決方案可在鋁、硅之間淀積一層薄金屬電遷移現象在較高的電流密度作用下，互連引線中的金屬原子將會沿著電子運動方向進行遷移，這種現象就是電遷移(EM)。本質是導體原子與通過該導體的電子流互相作用，對于鋁就是鋁原子沿著晶粒間界的擴散。結果：一個方向形成空洞，使互連引線開路或斷開。另一個方向則由于鋁原子的堆積而形成小丘，造成光刻困難以及多層布線之間的短路。電遷移現象在較高的電流密度作用下，互連引線中的金屬原子將會沿中值失效時間表征電遷移現象的物理量是互連引線的中值失效時間MTF（MedianTimetoFailure），即50%互連引線失效的時間。中值失效時間表征電遷移現象的物理量是互連引線的中值失效時間改進電遷移的方法-第1種方法結構的選擇采用竹狀結構的鋁引線，組成多晶硅的晶粒從下而上貫穿引線截面，晶粒間界垂直電流方向，所以晶粒間界的擴散不起作用，鋁原子在鋁薄膜中的擴散系數和單晶體相似，從而可使MTF值提高二個數量級。改進電遷移的方法-第1種方法結構的選擇改進電遷移的方法-第2種方法鋁-銅合金和鋁-硅-銅合金Al-Si（1%~2%）-Cu（4%）雜質在鋁晶粒晶界分凝，可以降低鋁原子在鋁晶界的擴散系數，從而使MTF提高一個數量級。缺點:增大了電阻率不易刻蝕、易受Cl2腐蝕改進電遷移的方法-第2種方法鋁-銅合金和鋁-硅-銅合金改進電遷移的方法-第3種方法三層夾心結構可以在兩次鋁之間增加大約500A厚的過渡金屬層。這三層金屬通過400℃退火1小時后，在兩層鋁之間形成金屬間化合物，可以防止空洞穿越整個金屬引線，也可以降低鋁在晶粒間界的擴散系數，使MTF提高2~3個數量級。尋找新的互連金屬材料-第4種方法改進電遷移的方法-第3種方法三層夾心結構銅及低K介質互連引線的延遲時間常數低電阻率材料（Cu）低K介質材料銅及低K介質互連引線的延遲時間常數以Cu作為互連材料的工藝流程0.18um以下的工藝所需雙大馬士革（Dual-Damascence)工藝工藝流程互連+通孔同時淀積，CMP時僅需對互連材料進行優點：工藝簡化，成本降低以Cu作為互連材料的工藝流程0.18um以下的工藝所需返回返回29低K介質材料和淀積技術低K介質材料介電常數比SiO2低的介質材料，一般小于3.5

降低寄生C，提高速度低K介質材料和淀積技術低K介質材料大規模集成電路與多層互連集成電路技術按摩爾定律發展，器件特征尺寸減小，集成度不斷提高。互連線所占面積成為決定芯片面積的主要因素互連線延遲可以與器件門延遲相比較互連系統已經成為限制集成電路技術進一步發展的重要因素，單層金屬互連無法滿足需求，必須使用多層金屬互連技術。大規模集成電路與多層互連集成電路技術按摩爾定律發展，器件特多層金屬互連技術對VLSI的意義可以使VLSI的集成密度大大增加，從而進一步提高集成度。互連是器件之間的互連可以降低互連線導致的延遲時間可以在更小的芯片面積上實現相同的電路功能互連線每增加一層，需要增加兩塊掩膜版多層金屬互連技術對VLSI的意義可以使VLSI的集成密度大大多層互連的工藝流程多層互連的工藝流程平坦化（a）無平坦化（b）經部分平坦化后的介電層外觀（CVDSiO2后回刻）（c）具備局部平坦度的介電層（使用犧牲層技術）（d）具備全面性平坦度的介電層（CMP）平坦化（a）無平坦化平坦化平坦化CMP（IBM，1980）CMP（IBM，1980）CMPCMPCMP工藝過程硅片被壓在研磨盤上，硅片與研磨盤之間有一層研磨劑，硅片與研磨盤都以一定速率轉動，利用研磨劑提供的化學反應和硅片在研磨盤上承受的機械研磨，把硅片表面突出的部分除去，最終實現平坦化。問題:終點探測（需要使用中止層）研磨產物的清洗CMP工藝過程改善臺階覆蓋性的辦法保形覆蓋的原因是反應物在吸附、反應時有顯著的表面遷移，決定吸附原子遷移率的因素吸附原子的種類、能量襯底溫度離子對吸附原子的轟擊

反應室的類型和淀積環境BPSG回流改善臺階覆蓋性的辦法保形覆蓋的原因是反應物在吸附、反應時有顯真空蒸發，采用行星旋轉式真空淀積裝置，通過蒸發源和襯底相對方向的連續改變，有效地消除蒸發死角，從而增加薄膜的均勻度。CMP工藝改善臺階覆蓋性的辦法真空蒸發，采用行星旋轉式真空淀積裝置，通過蒸發源和襯底相對接觸與互連的現狀與發展現狀互連線密度大（占到芯片總面積的70～80%）連線的寬度窄（電阻增大，電流密度增加）Al的問題電遷移嚴重、電阻率偏高、淺結穿透等Cu工藝問題電鍍或化學鍍的方法（與CMOS工藝的兼容性不很好）PVD（生成的空洞多，抗電遷移性能差）CVD（可靠性不好）缺乏刻蝕工藝低介電系數介質材料多孔電介質材料極脆，給集成工藝帶來很大挑戰。接觸與互連的現狀與發展現狀后部工序主要流程劃片；裝片；焊引線；封裝；成品測試；打印包裝1.劃片用激光束、金剛刀、金剛砂輪后部工序主要流程裝片就是把芯片裝配到管殼底座或框架上去。常用的方法有樹脂粘結，共晶焊接，鉛錫合金焊接等。裝片框架銀漿芯片將芯片裝到框架上(用銀漿粘接)引腳2.裝（粘）片

裝片就是把芯片裝配到管殼底座或框架上去。為了使芯片能與外界傳送及接收信號，就必須在芯片的接觸電極與框架的引腳之間，一個一個對應地用鍵合線連接起來。這個過程叫鍵合。框架內引腳芯片接處電極鍵合引線3.焊引線為了使芯片能與外界傳送及接收信號，就必須在芯片的接觸電極與框4.封裝陶瓷、塑料封裝5.性能測試電性能測試6.打印包裝

打印型號商標,廠家

包裝MOS電路需要屏蔽導電塑料4.封裝集成電路可靠性影響集成電路可靠性的因素連線及焊接缺陷

寄生效應（CMOS中Latch-up效應）臺階開路（電遷徙)

氧化物擊穿閾值電壓波動集成電路可靠性影響集成電路可靠性的因素Chap9金屬化與多層互連金屬化金屬及金屬性材料在集成電路技術中的應用金屬化的作用將有源元件按設計的要求聯結起來形成一個完整的電路和系統提供與外電源相連接的接點互連和金屬化不僅占去了相當的芯片面積，而且往往是限制電路速度的主要矛盾之所在。Chap9金屬化與多層互連金屬化金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：柵電極與柵氧化層之間有良好的界面特性和穩定性合適的功函數，滿足NMOS和PMOS閾值電壓對稱的要求多晶硅的優點可以通過改變摻雜的類型和濃度來調節功函數與柵氧化層有很好的界面特性多晶硅柵工藝具有源漏自對準的特點金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：互連材料電阻率小易于淀積和刻蝕好的抗電遷移特性AlCu金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：接觸材料良好的金屬/半導體接觸特性（好的界面性和穩定性，接觸電阻小，在半導體材料中的擴散系數小）后續加工工序中的穩定性；保證器件不失效Al硅化物（PtSi、CoSi）金屬材料的應用金屬材料的用途及要求：集成電路對金屬化材料特性的要求基本要求：1低阻的歐姆接觸，低阻的互連引線2抗電遷移性能好3附著性好4耐腐蝕5易淀積和刻蝕6易鍵合7互連層絕緣性好，層間不發生互相滲透和擴散，要求有一個擴散阻擋層。集成電路對金屬化材料特性的要求基本要求：集成電路對金屬化材料特性的要求晶格結構和外延生長的影響薄膜的晶格結構決定其特性電學特性電阻率、TCR、功函數、肖特基勢壘高度等機械特性、熱力學特性以及化學特性集成電路對金屬化材料特性的要求晶格結構和外延生長的影響鋁在集成電路中的應用

Al的優點：電阻率低與n+,p+硅或多晶硅能形成低阻的歐姆接觸與硅和BPSG有良好的附著性易于淀積和刻蝕故成為最常用互連金屬材料鋁在集成電路中的應用Al的優點：金屬鋁膜的制備方法（PVD）真空蒸發法（電子束蒸發）利用高壓加速并聚焦的電子束加熱蒸發源使之蒸發淀積在硅片表面濺射法射頻、磁控濺射污染小，淀積速率快，均勻性，臺階覆蓋性好金屬鋁膜的制備方法（PVD）真空蒸發法（電子束蒸發）Al/Si接觸中的現象鋁硅互溶Al與SiO2的反應Al/Si接觸中的現象鋁硅互溶鋁硅互溶鋁硅相圖相圖表示兩種組分與溫度的關系Al-Si系具有低共熔特性Al-Si系的共熔溫度為577℃，相應的組分配比為Si占11.3%，Al占88.7%淀積Al時Si襯底的溫度不得高于577℃插圖表示Si在Al中的固熔度400℃時，Si在Al中的固熔度為0.25%（重量比）Al在Si中的溶解度低，Si在Al中的溶解度較高。故退火時，有相當可觀的Si原子會溶到Al中鋁硅互溶鋁硅相圖集成電路工藝基礎——09-金屬化及多層互連課件57Si在Al中的擴散系數在一定的退火溫度下，退火時間為ta時，Si原子的擴散距離為其中D為擴散系數鋁硅互溶Si在Al中的擴散系數鋁硅互溶Al與SiO2的反應Al與SiO2的反應4Al+3SiO2→3Si+2Al2O3吃掉Si表面的SiO2，降低接觸電阻改善Al引線與下面SiO2

的黏附性Al與SiO2的反應Al與SiO2的反應Al/Si接觸中的尖楔現象Al/Si接觸中的尖楔現象Al/Si接觸中的尖楔現象Al/Si接觸中的尖楔現象Al/Si接觸中的尖楔現象

Si溶解與Al中，消耗的Si體積為：假定Si在接觸孔面積A內是均勻消耗的，則消耗掉的Si層的厚度為：Al/Si接觸中的尖楔現象Si溶解與Al中，消耗的Si體積影響尖楔因素Al-Si界面的氧化層的厚度薄氧(尖楔較淺）厚氧(尖楔較深）襯底晶向〈111〉：橫向擴展、雙極集成電路〈100〉：垂直擴展、pn結短路、MOS集成電路（尖楔現象嚴重）影響尖楔因素Al-Si界面的氧化層的厚度Al/Si接觸的改進Al/Si接觸的改進方法：鋁-硅合金金屬化引線鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結構鋁-阻擋層結構Al/Si接觸的改進Al/Si接觸的改進方法：鋁-硅合金金屬化引線-第1種解決方案用Al-Si合金代替純鋁作為接觸和互連材料。可消弱尖楔問題，卻引起新的問題硅的分凝問題——在較高合金退火溫度下溶解在Al中的Si，在冷卻過程中又從Al中析出。未溶解的硅形成一個個硅單晶節瘤歐姆接觸電阻變大，引線鍵合困難鋁-硅合金金屬化引線-第1種解決方案用Al-Si合金代替純鋁雙層金屬化-第2種解決方案鋁-重摻雜多晶硅（P,As）在淀積鋁膜前一般先淀積一層重P（As）摻雜多晶硅提供溶解于鋁中所需的硅原子，從而抑制了尖楔現象鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結構成功應用于nMOS工藝中。雙層金屬化-第2種解決方案鋁-重摻雜多晶硅（P,As）鋁-阻擋層結構-第3種解決方案可在鋁、硅之間淀積一層薄金屬層，代替重磷摻雜多晶硅，稱該薄金屬層為阻擋層。一般用硅化物代替金屬，因為硅化物可以和硅表面的氧化層發生反應，從而與硅有很好的附著作用和低的歐姆接觸電阻。鋁-阻擋層結構-第3種解決方案可在鋁、硅之間淀積一層薄金屬電遷移現象在較高的電流密度作用下，互連引線中的金屬原子將會沿著電子運動方向進行遷移，這種現象就是電遷移(EM)。本質是導體原子與通過該導體的電子流互相作用，對于鋁就是鋁原子沿著晶粒間界的擴散。結果：一個方向形成空洞，使互連引線開路或斷開。另一個方向則由于鋁原子的堆積而形成小丘，造成光刻困難以及多層布線之間的短路。電遷移現象在較高的電流密度作用下，互連引線中的金屬原子將會沿中值失效時間表征電遷移現象的物理量是互連引線的中值失效時間MTF（MedianTimetoFailure），即50%互連引線失效的時間。中值失效時間表征電遷移現象的物理量是互連引線的中值失效時間改進電遷移的方法-第1種方法結構的選擇采用竹狀結構的鋁引線，組成多晶硅的晶粒從下而上貫穿引線截面，晶粒間界垂直電流方向，所以晶粒間界的擴散不起作用，鋁原子在鋁薄膜中的擴散系數和單晶體相似，從而可使MTF值提高二個數量級。改進電遷移的方法-第1種方法結構的選擇改進電遷移的方法-第2種方法鋁-銅合金和鋁-硅-銅合金Al-Si（1%~2%）-Cu（4%）雜質在鋁晶粒晶界分凝，可以降低鋁原子在鋁晶界的擴散系數，從而使MTF提高一個數量級。缺點:增大了電阻率不易刻蝕、易受Cl2腐蝕改進電遷移的方法-第2種方法鋁-銅合金和鋁-硅-銅合金改進電遷移的方法-第3種方法三層夾心結構可以在兩次鋁之間增加大約500A厚的過渡金屬層。這三層金屬通過400℃退火1小時后，在兩層鋁之間形成金屬間化合物，可以防止空洞穿越整個金屬引線，也可以降低鋁在晶粒間界的擴散系數，使MTF提高2~3個數量級。尋找新的互連金屬材料-第4種方法改進電遷移的方法-第3種方法三層夾心結構銅及低K介質互連引線的延遲時間常數低電阻率材料（Cu）低K介質材料銅及低K介質互連引線的延遲時間常數以Cu作為互連材料的工藝流程0.18um以下的工藝所需雙大馬士革（Dual-Damascence)工藝工藝流程互連+通孔同時淀積，CMP時僅需對互連材料進行優點：工藝簡化，成本降低以Cu作為互連材料的工藝流程0.18um以下的工藝所需返回返回75低K介質材料和淀積技術低K介質材料介電常數比SiO2低的介質材料，一般小于3.5

降低寄生C，提高速度低K介質材料和淀積技術低K介質材料大規模集成電路與多層互連集成電路技術按摩爾定律發展，器件特征尺寸減小，集成度不斷提高。互連線所占面積成為決定芯片面積的主要因素互連線延遲可以與器件門延遲相比較互連系統已經成為限制集成電路技術進一步發展的重要因素，單層金屬互連無法滿足需求，必須使用多層金屬互連技術。大規模集成電路與多層互連集成電路技術按摩爾定律發展，器件特多層金屬互連技術對VLSI的意義可以使VLSI的集成密度大大增加，從而進一步提高集成度。互連是器件之間的互連可以降低互連線導致的延遲時間可以在更小的芯片面積上實現相同的電路功能互連線每增加一層，需要增加兩塊掩膜版多層金屬互連技術對VLSI的意義可以使VLSI的集成密度大大多層互連的工藝流程多層互連的工藝流程平坦化（a）無平坦化（b）經部分平坦化后的介電層外觀（CVDSiO2后回刻）（c）具備局部平坦度的介電層（使用犧牲層技術）（d）具備全面性平坦度的介電層（CMP）平坦化（a）無平坦化平坦化平坦化CMP（IBM，1980）CMP（IBM，1980）CMPCMPCMP工藝過程硅片被壓在研磨盤上，硅片與研磨盤之間有一層研磨劑，硅片與研磨盤都以一定速率轉動，利用研磨劑提供的化學反應和硅片在研磨盤上承受的機械研磨，把硅片表面突出的部分除去，最終實現平坦化