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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。
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

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）。

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
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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。
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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。
钽 铜
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可接受的阻挡层金属的基本特征：
1. 有很好的阻挡扩散作用； 2. 高导电率具有很低的欧姆接触电阻； 3. 在半导体和金属之间有很好的附着；
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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 )
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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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对IC金属化系统的主要要求
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 低阻互连 •High speed 金属和半导体形成低阻欧姆接触 •High reliability 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 对台阶的覆盖好 •High density 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象 易刻蚀 制备工艺简单
金属化与平坦化
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概

述
金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金 属线连接起来构成具有各种功能的集成电路 的工艺。是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜 上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线 和集成电路的孔填充塞的过程。
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互连金属
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在集成电路中金属薄膜主要用于 1.欧姆接触（Ohmic Contact） 2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact） 3.低阻栅电极（Gate Electrode） 4.器件间互联（interconnect）

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。
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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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
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Polycide和Salicide则是分别指对着不同的形 成Silicide的工艺流程，下面对这两个流程的 区别简述如下：
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多晶硅上的多晶硅化物 Polycide
钛多晶硅化物 多晶硅栅 钛硅化物
掺杂硅
如果难熔金属和多晶硅反应。那么它被称为多晶 硅化物。掺杂的多晶硅被用作栅电极，相对而言 它有较高的电阻率（约500µΩ-cm），正是这导致 了不应有的信号延迟。多晶硅化物对减小连接多 晶硅的串联电阻是有益的
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金属化的几个术语





接触（contact）：指硅芯片内的器件与第一层金属层之 间在硅表面的连接 互连（interconnect）：由导电材料，(如铝，多晶硅或 铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分 通孔（via）：通过各种介质层从某一金属层到相邻的另 一金属层形成电通路的开口 “填充薄膜”：是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属 层之间形成电连接。 层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材 料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被 光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属 （通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
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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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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 在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金

铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
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硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅 铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
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