半導體中鋁的電遷移2半導體中鋁的電遷移

?當直流電流流過金屬薄膜時，導電電子與金屬離子將發生動量交換，使金屬離子沿電子流的方向遷移，這種現象稱為金屬電遷移

?后果：

電遷移會使金屬離子在陽極端堆積，形成小丘或晶須，造成電極間短路，在陰極端由于金屬空位的積聚而形成空洞，導致電路開路

3解決方法：采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，銅2～4％）合金。銅原子在多晶狀Al的晶粒邊界處分凝，阻止Al原子沿晶粒邊界的運動。優化版圖設計，降低電流密度。44Al+3SiO2

2Al2O3+3Si

會使鋁穿透下面的SiO2絕緣層，導致電極間的短路失效。5合金化合金化的目的是使接觸孔中的金屬與硅之間形成低阻歐姆接觸，并增加金屬與二氧化硅之間的附著力在硅片制造業中，常用的各種金屬和金屬合金鋁鋁銅合金銅硅化物金屬填充塞阻擋層金屬6硅和硅片制造業中所選擇的金屬(at20°C)7由于鋁的低電阻率及其與硅片制造工藝的兼容性，因此被選擇為IC的主要互連材料。然而鋁有眾所周知的電遷徒引起的可靠性問題。由于電遷徒，在金屬表面金屬原子堆起來形成小丘（如圖所示）如果大量的小丘形成，毗鄰的連線或兩層之間的連線有可能短接在一起。當少量百分比的銅與鋁形成合金，鋁的電遷移現象會被顯著的改善。Al-Si-Cu(0.5%)合金是最常使用的連線金屬鋁銅合金8由于ULSI組件密度的增加，互連電阻和寄生電容也會隨之增加，從而降低了信號的傳播速度。減小互連電阻可通過用銅取代鋁作為基本的導電金屬而實現。對于亞微米的線寬，需要低K值層間介質（ILD）。通過降低介電常數來減少寄生電容。9IC互連金屬化引入銅的優點1. 電阻率的減小：互連金屬線的電阻率減小可以減少信號的延遲，增加芯片速度。2. 功耗的減少：減小了電阻，降低了功耗。3. 更高的集成密度：更窄的線寬，允許更高密度的電路集成，這意味著需要更少的金屬層。4. 良好的抗電遷移性能：銅不需要考慮電遷徒問題。5. 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％to30%的潛力。

10對銅的挑戰

與傳統的鋁互連比較，用銅作為半導體互連主要涉及三個方面的挑戰，這些挑戰明顯不同于鋁技術，在銅應用與IC互連之前必須解決：1. 銅快速擴散進氧化硅和硅，一旦進入器件的有源區，將會損壞器件。2.

應用常規的等離子體刻蝕工藝，銅不能容易形成圖形。干法刻蝕銅時，在它的化學反應期間不產生揮發性的副產物，而這對于經濟的干法刻蝕是必不可少的。3.

低溫下（＜200℃）空氣中，銅很快被氧化，而且不會形成保護層阻止銅進一步氧化。

11阻擋層金屬銅

銅在硅和二氧化硅中都有很高的擴散率，這種高擴散率將破壞器件的性能。可淀積一層阻擋層金屬，作用是阻止層上下的材料互相混合（見下圖）。其厚度對0.25μm工藝來說為100nm；對0.35μm工藝來說為400～600nm。銅需要由一層薄膜阻擋層完全封閉起來，這層封閉薄膜的作用是加固附著并有效地阻止擴散。12鉭作為銅的阻擋層金屬：對于銅互連冶金術來說，鉭（Ta）、氮化鉭和鉭化硅都是阻擋層金屬的待選材料，阻擋層厚度必須很薄（約75埃），以致它不影響具有高深寬比填充薄膜的電阻率而又能扮演一個阻擋層的角色。銅鉭13可接受的阻擋層金屬的基本特征：1. 有很好的阻擋擴散作用；2. 高導電率具有很低的歐姆接觸電阻；3. 在半導體和金屬之間有很好的附著；4. 抗電遷移5. 在很薄的并且高溫下具有很好的穩定性；6.