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对铜的挑战
与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互连主要涉 及三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝技术， 在铜应用与IC互连之前必须解决： 1. 铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有源区， 将会损坏器件。 2. 应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图 形。干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产生挥 发性的副产物，而这对于经济的干法刻蚀是必不可 少的。 3. 低温下（＜200℃）空气中，铜很快被氧化，而且不 会形成保护层阻止铜进一步氧化。
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由于ULSI组件密度的增加，互连电阻和寄生电 容也会随之增加，从而降低了信号的传播速度。 减小互连电阻可通过用铜取代铝作为基本的导 电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要低K 值层间介质（ILD）。通过降低介电常数来减 少寄生电容。
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IC互连金属化引入铜的优点
1. 电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小 可以减少信号的延迟，增加芯片速度。 2. 功耗的减少：减小了电阻，降低了功耗。 3. 更高的集成密度：更窄的线宽，允许更高 密度的电路集成，这意味着需要更少的金 属层。 4. 良好的抗电迁移性能：铜不需要考虑电迁 徒问题。 5. 更少的工艺步骤：用大马士革 方法处理铜 具有减少工艺步骤 20％ to 30 %的潜力。
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109 500 – 525 2.65 1.678 8 60 13 – 16 5 10
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铝铜合金



由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因 此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的 电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒，在金属表面 金属原子堆起来形成小丘（如图所示）如果大量的小 丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在 一起。 当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会 被显著的改善。 Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的连线金属

常用扩散阻挡层：TiN, TiW
较好的方法是采用阻挡层, Ti 或 TiSi2有好的接触和黏附 性,TiN 可作为阻挡层
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2.铝的电迁移
• 当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离 子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移， 这种现象称为金属电迁移 • 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
4. 抗电迁移
5. 在很薄的并且高温下具有很好的稳定性； 6. 抗侵蚀和氧化。
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Silicide Polycide Salicide

这三个名词对应的应用应该是一样的，都是利用硅 化物来降低连接电阻。但生成的工艺是不一样的
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硅化物 Silicide
Silicide就是金属硅化物，是由金属和 硅经过物理－化学反应形成的一种化合态， 其导电特性介于金属和硅之间 硅化物是一种具有热稳定性的金属化合 物，并且在硅 / 难熔金属的分界面具有低的 电阻率。在硅片制造业中，难熔金属硅化物 是非常重要的，因为为了提高芯片性能，需 要减小许多源漏和栅区硅接触的电阻。在铝 互连技术中，钛和钴是用于接触的普通难熔 金属。
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铝互连
Top Nitride
ILD-6
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
Metal-4 Via-4
ILD-5 ILD-4
Metal-3
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
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为了将半导体器件与外部有效地联系起来，
必须首先在半导体和互连线之间制作接触。
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
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金属层和硅衬底形成什么接触？
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金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触， 也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂 浓度及金－半接触的势垒高度

由于在优化超大规模集成电路的性能方面，需要进一步 按比列缩小器件的尺寸，因此在源 / 漏和第一金属层之 间电接触的面积是很小的。这个小的接触面积将导致接 触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源 / 漏区 接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。它能很好地 与露出的源、漏以及多晶硅栅的硅对准。许多芯片的性 能问题取决于自对准硅化物的形成（见下图）。
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解决方法： 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜2～ 4％）合金。 铜原子在多晶状Al的晶粒边界处分凝，阻止 Al原子沿晶粒边界的运动。 优化版图设计，降低电流密度。
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3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
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自对准硅化物工艺
Salicide
Self-aligned silicide (“salicide”) process
多晶硅 有源硅区 侧墙氧化层 场氧化层
Silicon substrate
1. 有源硅区
钛硅反应区
2. 钛淀积 TiSi2 形 成
3. 快速热退火处理
4. 去除钛
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The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin metal film with silicon in the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes. The term "salicide" is a compaction of the phrase self-aligned silicide. The description "self-aligned" suggests that the contact formation does not require lithographic patterning processes, as opposed to a non-aligned technology such as polycide. The term salicide is also used to refer to the metal silicide formed by the contact formation process, such as "titanium salicide", although this usage is inconsistent with accepted naming conventions in chemistry.
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铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高 扩散率将破坏器件的性能。可淀积一层阻挡层金属， 作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚 度对 0.25µm 工艺来说为 100nm ；对 0.35µm 工艺来说为 400～600nm。
阻挡层金属 铜
铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层封闭 薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。
Al/p-Si势垒高度 一般金属和P型半导体 0.4eV
的接触势垒较低

半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质 高复合欧姆接触
在半导体表面耗尽区中起复合中心作用

高掺杂欧姆接触
Al/N-Si势垒高度 0.7eV 需高掺杂欧姆接触
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常用的金属化材料

Leabharlann 1.Al 是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。 电阻率较低（ 20℃时具有2.65µΩ -cm ）；工艺 简单； 易形成低阻欧姆接触。
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金属和硅接触的问题--1.尖峰现象"spiking" problems
硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下 空洞 ,Al填充到空洞,引起短路
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解决spiking问题的方法

一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性 另一种方法是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )

自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。
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Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及 源漏注入以后，以溅射的方式在POLY上淀积一层金 属层（一般为 Ti,Co或Ni），然后进行第一次快速 升温退火处理（RTA），使多晶硅表面和淀积的金属 发生反应，形成金属硅化物。 根据退火温度设定，使得其他绝缘层（ Nitride 或 Oxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望 的硅化物，因此是一种自对准的过程(does not require lithographic patterning processes)。 然后再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O2/H20或 H2SO4/H2O2的混合液）清除不需要的金属淀积层，留下 栅极及其他需要做硅化物的salicide。
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钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽 （Ta） 、氮化钽和钽化硅都是阻挡层金属的待选材料，阻 挡层厚度必须很薄（约 75 埃），以致它不影响具有高深宽 比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色。