9.1 集成电路对金属化的基本要求
1. 形成低阻欧姆接触； 2. 提供低阻互连线； 3. 抗电迁移； 4. 良好的附着性； 5. 耐腐蚀； 6. 易于淀积和刻蚀； 7. 易键合； 8. 层与层之间绝缘要好。
9.2 金属化材料及应用
常用金属材料：
➢ Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等
常用的金属性材料：
PVD Al合金 (2.9 -3.3 mW-cm) • W只用作局部互连和金属塞
9.2 金属化材料及应用
接触工艺的演变
W原料：WF6
W钨 CVD
先与SiH4反应形成W淀积的核层:
2WF6(g) +3SiH4→2W(s)+3SiF4(g)+6H2
再与H2反应淀积W: WF6(g) +3H2→W(s)+6HF(g)
改善Al与SiO2的粘附性。
9.3 Al的性质及现象
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
9.3 Al的性质及现象
9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象
尖楔机理：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1μm； 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
9.3 Al的性 金属化与多层互连
2013年9月
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
互连：Al-Cu合金 接触孔与通孔：金属W（Ti/TiN/W） Ti/TiN：焊接层、阻挡层、防反射层 电极材料：金属硅化物，如TiSi2
2、硅化物
－电阻率比多晶硅更低， －常用TiSi2, WSi2和 CoSi2
9.2 金属化材料及应用
2、硅化物
自对准形成硅化钛
9.2 金属化材料及应用
3、铝（Al）
▪ 最常用的金属 ▪ 导电性第四好的金属
– 铝 2.65 μΩ-cm – 金 2.2 μΩ-cm – 银 1.6 μΩ-cm – 铜 1.7 μΩ-cm ▪ 1970s中期以前用作栅电极金属
9.2.4 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。
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
溶解到Al中。
9.3 Al的性质及现象
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。
③Al与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3 好处：降低Al/Si欧姆接触电阻；
9.2 金属化材料及应用
4、钛Ti：硅化钛、氮化钛
Ti/TiN的作用：
1）阻挡层：防止W扩散 2）粘合层：帮助W与SiO2 表面粘合在一起 3）防反射涂层ARC （Anti-reflection coating），防止反射提 高光刻分辨率
9.2 金属化材料及应用
5、钨W
• 接触孔和通孔中的金属塞 • 接触孔变得越来越小和越窄 • PVD Al合金: 台阶覆盖性差，产生空洞 • CVD W: 出色的台阶覆盖性和空隙填充能力 • CVD W：更高电阻率: 8.0-12 mW-cm
• Poor adhesion with silicon dioxide • Highly diffusive, heavy metal contamination • Very hard to dry etch
– copper-halogen have very low volatility
9.3 Al的性质及现象
需要TiN/Ti层与氧化物黏附
W Plug and TiN/Ti Barrier/Adhesion Layer
9.2 金属化材料及应用
6、铜
• Low resistivity (1.7 mW×cm), – lower power consumption and higher IC speed
• High electromigration resistance – better reliability
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
9.2.1 Al的性质
电阻率：Al为2.7μΩ/cm，
（Au2.2 μΩ/cm，Ag1.6 μΩ/cm， Cu 1.7μΩ/cm）
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
➢ 1）掺杂的poly-Si； ➢ 2）金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2、TiSi2； ➢ 3）金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、TiB2 、 SiGe 、
ZrB2 、TiC、MoC、TiN。
9.2 金属化材料及应用
1、多晶硅
－栅和局部互连， －70s中期后代替Al作为栅极， －高温稳定性：满足注入后退火的要求，Al不能自对准 －重掺杂，LPCVD淀积