金属互连Metal Interconnection
马菲
⏹1.集成电路对金属化材料特性的要求⏹2.铝在集成电路制造中的应用
⏹3.铜在集成电路制造中的应用
⏹金属互连的作用
1.将有源器件按照设计的要求联结起来形成一个完整的电
路和系统
2.提供与外电源相连接的接点
⏹金属互连不仅占去了相当芯片的面积，还往往是限制电流速度的主要矛盾之所在
1.集成电路对金属化材料特性的要求
对应用在硅集成电路中的金属材料的基本要求：
1. 与n，p硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触；
2. 抗电迁移性能要好；
3. 与绝缘体要有良好的附着性；
4. 耐腐蚀；
5. 易于淀积和刻蚀；
6. 易于键合，而且键合点能长期稳定工作；
7. 层间的绝缘性要好，不发生相互渗透和扩散。
（电学特性）
（化学特性）
（热力学特性）
⏹2.1 Al/Si接触中的几个物理现象⏹2.2 Al/Si接触中的尖楔现象
⏹2.3 Al/Si接触的改进
Al 的优点：
1.电阻率低
2.与n 、p 硅或者多晶硅能形成低的欧姆接触
3.与硅有良好的附着性
4.易于淀积和刻蚀
因此成为最常用的互连材料
2.7Al cm
ρμ=Ω•6210R cm
-=Ω•
2.1 Al/Si 接触中的几个物理现象
2.1.1 Al 与SiO 2的反应。
Al 容易与SiO 2反应，其反应式为：
作用：1.Al 可以“吃”掉Si 表面的SiO 2，降低接触电阻
2.改善Al 引线与下面SiO 2的粘附性
223
3432SiO Al Si Al O +→+
2.1 Al/Si接触中的几个物理现象
2.1.2 Al-Si相图
Al在Si中的溶解度低，
但Si在Al中的溶解度高
例如：在400°C时，
重量溶解度为0.25，
在450 °C时，
重量溶解度为0.5，
在500 °C时，
重量溶解度为0.8。
2.1 Al/Si 接触中的几个物理现象
2.1.3 Si 在Al 中的扩散系数
退火时间为ta ，Si 原子的扩散距离L Si 为:
例如: t a =30min 时，L Si =55um(500°C)
L Si =38um(450°C)
L Si =25um(400°C)
()
12
si a L Dt =
2.2 Al/Si接触中的尖楔现象
尖楔现象：Si在与Al接触的孔内并不是均匀消耗的，往往是在几个点上消耗Si,这样Al就会在这几个接触点像尖钉一样楔进Si的衬底中，从而使P-N结失效。
Al/Si接触中的尖楔现象
Al/Si 接触中的尖楔现象
Si Al
n n S d w Dt V ⋅⋅⋅=)(2
影响尖楔现象的因素：
1.Al-Si界面的氧化层厚度
薄氧化层（尖楔较浅）
厚氧化层（尖楔较深）
2.衬底晶向
<111>：横向扩展
<100>：垂直扩展，pn结短路
（尖楔现象严重）
2.3 Al-Si接触的改进
2.3.1 Al-Si合金金属化引线
2.3.2 铝掺杂多晶硅双层金属结构
2.3.3 铝-阻挡层结构
2.3.1 Al-Si合金金属化引线
用Al-Si合金代替纯铝作为接触和互连材料。
优点：可消弱尖楔现象
缺点：引起了新的问题——硅的分凝问题
分凝问题：Al中的Si，在较高的退火温度下溶解，
在冷却过程中，从Al中析出。
未溶解的硅形成一个个硅的单晶结瘤。
欧姆接触电阻变大，引线键合困难。
2.3.2 铝-掺杂多晶硅双层金属化结构（磷、砷）
在淀积铝膜之前先淀积一层重P(As)掺杂多晶硅优点：（1）提供溶解于铝中的所需的硅原子，抑制
了铝的尖楔现象。
（2）重磷掺杂多晶硅的存在，使p-n结问题得
到改善。
成功的用于nMOS工艺中
2.3.3 铝-阻挡层结构
在铝与硅之间淀积一层薄金属，代替重磷掺杂多晶硅，称薄层为阻挡层。
阻挡层材料：TiN、TaN、WN。
⏹3.1 Cu的材料特性
⏹3.2 Cu互连材料的工艺介绍⏹3.3 金属Cu的淀积技术
3.1 Cu 的材料特性
互连引线的RC 常数：
其中：所以RC 常数可表示为：
()
()
m l R t ρω=2
m ax
l RC t t ρε=()
ax
l C t εω=
3.1 Cu的材料特性
Cu代替Al的优点：
（1）低电阻率（低35%）；
（2）抗电迁移能力好（高2个数量级）；（3）功耗低；
（4）制造成本低（减少了20%--30%的工序）。
⏹3.2 Cu互连材料的工艺介绍
⏹3.2.1 镶嵌工艺
⏹3.2.2 Cu互连的工艺流程
3.2.1 镶嵌工艺
原因：铜不能产生易挥发的物质，难刻蚀单镶嵌工艺:
特点：通孔的互连材料与互连沟槽可以不一样
3.2.1 镶嵌工艺
双镶嵌工艺：
特点：互连沟槽和通孔同时填充，且为同一种金属材料
⏹3.2.2 Cu互连的工艺流程①刻蚀停止层Si3N4
作用:腐蚀布线沟槽时，
起腐蚀阻挡层作用，
获得较均匀的刻蚀深度。
②低k介质材料
介电常数<SiO2(3.5)
作用：降低寄生电容，减小互连
延迟时间，提高集成电路
速度。
⏹3.2.2 Cu互连的工艺流程
阻挡层:TiN、Ta、TaN ⑩
作用：防止Cu扩散，改善Cu
的粘附性。
Cu的籽晶层
作用：满足电镀的需要
3.2.2 Cu互连的工艺流程
3.3 金属铜的淀积技术
电镀：台阶覆盖性好、淀积速率高
CVD：可靠性比电镀差，较易形成空洞。
PVD（溅射）：可靠性低，易形成空洞，引起互连引线失效。
电镀是淀积Cu工艺中普遍采用的方法
3.3 金属铜的淀积技术
电镀时完成铜互连线的主要工艺
谢谢！。