1/47集成電路工藝原理

接觸及互連原理2/47后端工藝

backendofthelinetechnology(BEOL)

——將器件連接成特定的電路結(jié)構：金屬線及介質(zhì)的制作，使得金屬線在電學和物理上均被介質(zhì)隔離。全局互連（Al）局部互連（多晶硅,硅化物,TiN）（IMD）接觸（contact）—金屬和硅的結(jié)合部通孔（via）—用于連接不同層的金屬連線金屬間介質(zhì)（IMD）鈍化層（passivation）（PMD）3/474/47后端工藝越來越重要占了工藝步驟中大部分影響IC芯片的速度多層金屬互連增加了電路功能并使速度加快5/47互連的速度限制可以作簡單的估計由全局互連造成的延遲可以表達為：其中eox是介質(zhì)的介電常數(shù)，K是邊緣場效應的修正系數(shù)，r是金屬線的電阻率e6/47各種延遲減小互連延遲的途徑:1）低電阻率金屬(Cu)2）low-k介質(zhì)7/47對IC金屬化系統(tǒng)的主要要求(1)金屬和半導體形成低阻接觸(2)低阻互連(3)與下面的氧化層或其它介質(zhì)層的粘附性好(4)臺階覆蓋好(5)結(jié)構穩(wěn)定，不發(fā)生電遷移及腐蝕現(xiàn)象(6)易刻蝕(7)制備工藝簡單電學、機械、熱學、熱力學及化學8/47可能形成互連的導電材料金屬（metal）：lowresistivity多晶硅（poly–Si）：Mediumresistivity)硅化物（metalsilicides）：介于以上二者之間9/47PropertiesofInterconnectMaterialsMaterialThinfilmresistivity(cm)Meltingpoint(oC)Al2.7-3.0660W8-153410Cu1.7-2.01084Ti40-701670PtSi28-351229C54TiSi213-161540WSi230-702165CoSi215-201326NiSi12-20992TiN50-1502950Ti30W7075-2002200Heavilydopedpoly-Si450-10000141710/47

定義：零偏壓附近電流密度隨電壓的變化率比接觸電阻c的單位:Wcm2

或m2

接觸電阻：衡量歐姆接觸質(zhì)量的參數(shù)是比接觸電阻c重摻雜硅金屬線接觸面積A金屬－Si之間，c在10-5～10-9

Wcm2金屬－金屬之間，c<10-8

Wcm211/47歐姆接觸整流接觸金半接觸12/47當金屬與半導體之間的載流子輸運以隧道穿透為主時，c與半導體的摻雜濃度N及金－半接觸的勢壘高度qb有下面的關系

qb

在數(shù)值上等于金屬費米能級上的電子進入半導體所需的能量。結(jié)論：要獲得低接觸電阻的金-半接觸，必須減小金-半接觸的勢壘高度及提高半導體的摻雜濃度n+~1019-1021/cm3,p+>1019/cm313/47形成歐姆接觸的方式

低勢壘歐姆接觸：一般金屬和p型半導體的接觸勢壘較低

高摻雜歐姆接觸Al/n-typeSi勢壘高度0.7eV需高摻雜歐姆接觸Al/p-typeSi勢壘高度0.4eV1.12eV14/47常用金屬-n型硅之間的肖特基勢壘高度Eg(Si)＝1.12eVCu硅化物15/47在降低接觸尺寸時減小接觸電阻的一些措施在金屬/半導體界面增加摻雜濃度-由雜質(zhì)固溶度限制用具有低肖特基勢壘的技術-在制備CMOS時，最好的選擇時Mid-GapBarrier增加接觸的有效面積*****-接觸整個結(jié)面積，而不僅僅是接觸孔面積用自對準硅化物技術（self-alignedsilicide，SALICIDE）：與多晶柵和隔離自對準16/47SALICIDEProcess(a)BasicMOSFETstructurefabricated

SiO2sourcegatedrain(d)Selectiveremovalofunreactedmetal+2ndannealat500-850oCSiO2silicideSiO2silicideunreactedmetal(c)1stannealinN2at300-700°CSiO2sourcegatedrainmetal(b)Metaldeposition17/47最常用的材料是Al：采用濺射淀積

Al金屬化系統(tǒng)失效的現(xiàn)象Al的電遷移（Electromigration）Al/Si接觸中的尖楔現(xiàn)象Cu正全面取代Al鋁互連技術18/47（1）鋁的電遷移當大密度電流流過金屬薄膜時，具有大動量的導電電子將與金屬原子發(fā)生動量交換，使金屬原子沿電子流的方向遷移，這種現(xiàn)象稱為金屬電遷移電遷移會使金屬原子在陽極端堆積，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evoidHillock19/4720/47(2)Al/Si接觸中的尖楔現(xiàn)象1）硅和鋁不能發(fā)生化學反應形成硅化物，但是退火溫度下（400-500C），硅在鋁中的固溶度較高（固溶度隨溫度呈指數(shù)增長），會有相當可觀的硅原子溶解到Al中。2）退火溫度下，Si在Al膜中的擴散系數(shù)非常大——在薄膜晶粒間界的擴散系數(shù)是晶體內(nèi)的40倍。3)Al和SiO2會發(fā)生反應：4Al+3SiO22Al2O3+3SiAl與Si接觸時，Al可以“吃掉”Si表面的天然SiO2層(～1nm)，使接觸電阻下降；可以增加Al與SiO2的粘附性。SiO2厚度不均勻，會造成嚴重的尖楔現(xiàn)象。21/47鋁的尖楔SEM照片22/47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300oC以上，硅就以一定比例熔于鋁中，在此溫度，恒溫足夠時間，就可在Al-Si界面形成一層很薄的Al-Si合金。Al通過Al-Si合金和接觸孔下的重摻雜半導體接觸，形成歐姆接觸

Al-Si系統(tǒng)一般合金溫度為450-500C23/47解決電遷移問題的方法在Al中加入0.5～4％的Cu可以降低鋁原子在晶間的擴散系數(shù)。但同時電阻率會增加！鋁中加入少量Si（~1%）利用擴散阻擋層(DiffusionBarrier）：TiN，TiW，W及難熔金屬硅化物；500C穩(wěn)定解決尖楔問題的方法24/47金屬硅化物作為接觸材料特點：類金屬，低電阻率（<0.01多晶硅），高溫穩(wěn)定性好，抗電遷移能力強，與硅工藝兼容性好常用接觸和擴散阻擋淀積濺射LPCVD/PECVD退火形成合適金屬化合物形成穩(wěn)定接觸界面降低電阻率25/47通孔—W塞(W-stud)電阻率介于鋁和硅化物之間<1mm后，充填能力強，臺階覆蓋能力強熱穩(wěn)定性好低應力抗電遷移能力和抗腐蝕能力強LPCVD鎢與SiO2等各種常用介質(zhì)粘附不好，需要粘附層TiN；為了降低接觸電阻，Si和TiN需加入Ti作為接觸層W/TiN/Ti/Si鎢塞兩步法填充：硅烷法較低氣壓下成核生長＋氫氣法快速完全填充26/4727/47介質(zhì)層（inter-metaldielectric）SiO2－CVD（SiH4源)、PECVDSiO2（TEOS），SOG…低介電常數(shù)材料必須滿足諸多條件，例如：足夠的機械強度以支撐多層連線的架構高楊氏系數(shù)高擊穿電壓（>4MV/cm）低漏電（<10-9A/cm2at1MV/cm）高熱穩(wěn)定性（>450oC）良好的粘合強度低吸水性低薄膜應力高平坦化能力低熱漲系數(shù)以及與化學機械拋光工藝的兼容性…..Low-kintegration28/47HDPCVD淀積（填充）介質(zhì)薄膜USG（Un-dopedSilicateGlass）：SiH4+O2+ArUSG+揮發(fā)物FSG（FluorosilicateGlass）：SiH4+SiF4+O2+ArFSG+揮發(fā)物PSG（PhosphossilicateGlass）：SiH4+PH3+O2PSG+揮發(fā)物29/47lowka-C:H30/47Lowkpolymer31/47Airgap32/47多層布線技術（Multilevel-MultilayerMetallization）器件制備介質(zhì)淀積結(jié)束金屬化平坦化接觸及通孔的形成是否最后一層鈍化層淀積是否33/47平坦（面）化技術34/47化學機械拋光CMP1）隨著特征尺寸的減小，受到光刻分辨率的限制：R，則l和/或NADOF下降?。?！例如：0.25mm技術節(jié)點時，DOF208nm0.18mm技術節(jié)點時，DOF150nm0.25mm后，必須用CMP才能實現(xiàn)表面起伏度<200nm必要性35/472）可以減少金屬在介質(zhì)邊墻處的減薄現(xiàn)象，改善金屬互連性能不平坦時的臺階覆蓋問題使用CMP之后36/47可免除由于介質(zhì)層臺階所需的過曝光、過顯影、過刻蝕。CMP的優(yōu)勢使用CMP后減少了缺陷密度，產(chǎn)率得到提高，給設計以更大的窗口不使用CMP時不使用CMP時37/47CMP三個關鍵硬件：PolishingpadWafercarrierSlurrydispenser38/47STI（淺溝槽隔離）形成介質(zhì)層的平面化–PMD和IMD鎢塞的形成銅互連深槽電容CMP的應用39/47其他平面化技術：1、PSG/PBSG回流（reflow）—使臺階平滑，高度未變~850-1000C40/472、回刻技術（etch-back）濺射刻蝕（Ar+）使介質(zhì)開口形成坡度CVD填充得到較為平坦的表面反應離子刻蝕CF4/O2實現(xiàn)局部平面化USG回刻USG：UndopedSilicateGlass41/47光刻膠回刻技術CF4/O2刻蝕：F氧化硅，OPR調(diào)整CF4/O2

比值可以實現(xiàn)二者1:1的刻蝕比回刻后氧化硅可以實現(xiàn)局部平坦化SOG回刻42/47銅互連技術Copper/LowkDualDamascene(DD)大馬士革雙鑲嵌工