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/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
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
9.3 Cu及低K介质
如何降低： l RC常数：表征互连线延迟，即 RC 。 t m t ox
ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数 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
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。
Al合金为3.5 μΩ/cm； 溶解度：Al在Si中很低， Si在Al中相对较高，如 400℃时，0.25wt%； 450℃时，0.5wt%； 500℃时，0.8wt%； Al-Si合金退火：相当可观的Si 溶解到Al中。
9.2.2 Al/Si接触的物理现象
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。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 形成低阻欧姆接触； 提供低阻互连线； 抗电迁移； 良好的附着性； 耐腐蚀； 易于淀积和刻蚀； 易键合； 层与层之间绝缘要好。
9.2 Al的应用
电阻率：Al为2.7μΩ/cm，
（Au2.2 μΩ/cm，Ag1.6 μΩ/cm， Cu 1.7μΩ/cm）
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接触的尖楔现象
图9.3 Al-Si接触引线工艺
T=500℃，t=30min.， A=16μm2，W=5μm， d=1μm，消耗Si层厚度 Z=0.35μm。 （相当于VLSI的结深） ∵Si非均匀消耗， ∴实际上，A*<<A，即 Z*>>Z，故 Al形成尖楔
第九章 金属化与多层互连
金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。 金属化材料分类：（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。
互连材料－Interconnection
互连在金属化工艺中占有主要地位 Al-Cu合金最为常用 W塞（80s和90s） Ti：焊接层 TiN：阻挡、黏附层 未来互连金属－－Cu
CMOS标准金属化
TiN的作用
TiN：阻挡层，防止W扩散
TiN：粘合层，帮助W与SiO2 表面粘合在一起
TiN：防反射涂层ARC（Antireflection coating），防止反射 提高光刻分辨率
铜金属化（Copper Metallization）
9.4 多晶硅及硅化物
多晶硅：CMOS多晶硅 栅、局域互连线； 特点：源、漏自对准 CM
9.4.1 多晶硅栅技术
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Ф MS） 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； 多晶硅栅的优点：①实现自对准的源漏；②降低VT
9.4.3 多晶硅互连及其局限性
互连延迟时间常数: RC=RL2 εox/tox R、 l- -互连线方块电阻和长度， εox、tox-介质层的介电常数和厚度； 局限性：电阻率过高，只能作局部互连；
互连引线面积与各种互连延迟
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.提高集成度； 2.降低互连延迟： 3. 降低成本 （目前Cu互连最高已 达10层）
9.5.4 平坦化
平坦化的必要性
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
尖楔现象
机理：Si在Al中的溶解度及快速 扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬 底； 深度：超过1μ m； 特点： <111>衬底：横向扩展 <100> 衬底：纵向扩展 MOS器件突出。 改善：Al中加1wt％-4wt％的过 量Si。
9.2.5 电迁移现象及改进
电迁移：大电流密度下，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。 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。
第九章 金属化与多层互连
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、CoSi2、WSi2； 金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、 TiB2 、 SiGe 、 ZrB2 、 TiC、MoC、TiN。
9.1 集成电路对金属化 的基本要求
