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各
种
延
迟
减小互连延迟的途径:
1）低电阻率金属(Cu) 2）low-k介质
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对IC金属化系统的主要要求
电学、机械、热学、热力学及化学
(1) 金属和半导体形成低阻接触 (2) 低阻互连 (3) 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 (4) 台阶覆盖好 (5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象 (6) 易刻蚀 (7) 制备工艺简单
1540 2165 1326 992
TiN
50-150
2950
Ti30W70 Heavily doped poly-Si
75-200 450-10000
2200 1417
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衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻 c
金属线 接触面积A
重掺杂硅
rc


1 dJ
dV V 0
定义：零偏压附近电流密
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（1）铝的电迁移
当大密度电流流过金属薄膜时，具有大动量 的导电电子将与金属原子发生动量交换，使 金属原子沿电子流的方向迁移，这种现象称 为金属电迁移
电迁移会使金属原子在阳极端堆积，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
void Hillock e
金属间介质（IMD）
钝化层（passivation）
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后端工艺越来越重要 占了工艺步骤中大部分 影响IC芯片的速度
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多层金属互 连增加了电 路功能并使 速度加快
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互
连
的
速
度
限
制
可
以
作
由全局互连造成的延迟可以表达为：
简
单
e
的
估
计
其中eox是介质的介电常数，K是边缘场
效应的修正系数，r是金属线的电阻率
度随电压的变化率
比接触电阻 c 的单位: cm2 或
m2
接触电阻：Rc

rc
A
金属－Si之间， c在10-5～10-9 cm2
金 半 整流接触 接 触
欧姆接触
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当金属与半导体之间的载流子输运以隧道穿透为主时， c与半导体的掺杂浓度N及金－半接触的势垒高度
q b有下面的关系
rc

exp

2
qb

m*e s
N
q b 在数值上等于金属费米能级上的电子进入半导体 所需的能量。 结论：要获得低接触电阻的金-半接触，必须减小金半接触的势垒高度及提高半导体的掺杂浓度
n+~1019-1021/cm3, p+>1019/cm3
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形成欧姆接触的方式
低势垒欧姆接触：一般金属和p型半导体 的接触势垒较低
3) Al和SiO2会发生反应：4Al+3SiO2 2Al2O3+3Si Al与Si接触时，Al可以“吃掉”Si表面的天然SiO2 层(～1 nm)，使接触电阻下降； 可以增加Al与SiO2的粘附性。 SiO2厚度不均匀，会造成严重的尖楔现象。
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铝的尖楔SEM照片
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合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形 成低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间 的附着力。
用具有低肖特基势垒的技术 -在制备CMOS时，最好的选择时Mid-Gap Barrier
增加接触的有效面积 ***** -接触整个结面积，而不仅仅是接触孔面积
用自对准硅化物技术（self-aligned silicide， SALICIDE）：与多晶栅和隔离自对准
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SALICIDE Process
(a) Basic MOSFET structure fabricated
SiO
gate
2
source
drain
(b) Metal deposition
metal
SiO
gate
source
drain
2
(c) 1st °C
annealinN2 Nhomakorabeaat
300-700
unreacted metal
silicide
在300 oC以上，硅就以一定比例熔于铝中，在 此温度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成 一 层 很 薄 的 Al-Si 合 金 。 Al 通 过 Al-Si 合 金 和 接 触孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触
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可能形成互连的导电材料
金属 （metal）：low resistivity 多晶硅（poly–Si）：Medium resistivity) 硅化物（metal silicides）：介于以上二者之间
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Properties of Interconnect Materials
Al/p-type Si势垒高度 0.4 eV
高掺杂欧姆接触
1.12 eV
Al/n-type Si势垒高度 0.7 eV 需高掺杂欧姆接触
常用金属-n型硅之间的 肖特基势垒高度
硅化物
Eg(Si)＝1.12eV
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Cu
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在降低接触尺寸时减小接触电阻的一些措施
在金属/半导体界面增加掺杂浓度 -由杂质固溶度限制
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(2) Al/Si接触中的尖楔现象
1）硅和铝不能发生化学反应形成硅化物，但是退火温 度下（400-500 C），硅在铝中的固溶度较高（固 溶度随温度呈指数增长），会有相当可观的硅原子溶 解到Al中。
2）退火温度下，Si在Al膜中的扩散系数非常大——在 薄膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的40倍。
Material
Thin film resistivity (cm) Melting point (oC)
Al
2.7-3.0
660
W
8-15
3410
Cu
1.7-2.0
1084
Ti
40-70
1670
PtSi
28-35
1229
C54 TiSi2 WSi2 CoSi2 NiSi
13-16 30-70 15-20 12-20
SiO
2
(d) Selective removal of unreacted metal + 2nd anneal at 500-850 oC silicide
SiO
2
最常用的材料是Al：采用溅射淀积
铝 互 连 技 术 Al 金属化系统失效的现象
Al的电迁移（Electromigration） Al/Si接触中的尖楔现象 Cu正全面取代Al
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集成电路工艺原理
接触及互连原理
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后端工艺 backend of the line technology (BEOL)
——将器件连接成特定的电路结构：金属线及介质的制作，
使得金属线在电学和物理上均被介质隔离。
全局互连 （Al）
（IMD）
局部互连
（PMD）
（多晶硅,
硅化物, TiN）
接触（contact）—金属和硅的结合部 通孔（via）—用于连接不同层的金属连线