集成電路工藝基礎——09_金屬化與多層互連.ppt

1、Chap 9金屬化和多層互連、金屬化金屬和金屬化材料在集成電路技術中的應用作用是，根據(jù)設計將電源組件連接起來，形成完整的電路和系統(tǒng)，提供連接到外部電源的觸點互連和金屬化。不僅占據(jù)了相當大的籌碼面積，而且經(jīng)常成為限制電路速度的主要矛盾。(約翰f肯尼迪、Northern Exposure(美國電視電視劇)、金屬材料的應用、金屬材料的用途和要求：柵電極和柵氧化層之間具有良好的介面特性和穩(wěn)定性，多晶硅符合NMOS和PMOS閾值電壓對稱性要求的優(yōu)點是，通過改變摻雜類型和濃度，柵氧化層和功能以及柵氧化層良好的介面特性多晶硅柵工藝自泄漏對準特性，金屬材料的應用，金屬材料的用途和要求：互連材料電阻率小、積累容

2、易、易于識別的抗日電遷移特性Al Cu，金屬材料的應用，金屬材料的用途和要求：接觸材料好的金屬/半導體接觸特性(良好的界面性和穩(wěn)定性，減少接觸電阻，減少半導體材料內(nèi)的擴散系數(shù))后續(xù)基本要求：1低電阻歐姆接觸，低電阻互連引線2抗電遷移性能好3附著好4防腐5容易積累和刻蝕6容易鍵組合7互連層絕緣好，層間互穿擴散，擴散障礙。金屬化材料特性的集成電路要求，根據(jù)晶格結構和影響外延生長的薄膜的晶格結構，可以形成電特性電阻率、TCR、協(xié)函數(shù)、肖特基勢基座高度等機械特性，熱力學特性和化學特性，應用集成電路鋁，Al的優(yōu)點：電阻率低，N、P硅或多晶硅與硅和BPSG的低電阻歐姆接觸。由于易于接觸和蝕刻，最常用的互連

3、金屬材料、金屬鋁膜的制造方法(PVD)、真空蒸發(fā)方法(電子束蒸發(fā))使用高壓加速和聚焦的電子束加熱蒸發(fā)源，將蒸發(fā)積累到硅表面濺射方法中。射頻，磁控濺射污染少，沉積速度快，均勻。Al/Si接觸的現(xiàn)象，Al和SiO2的反應，Al-硅互溶，Al-Si表示兩種茄子成分和溫度的關系，Al-Si系的低共晶特性Al-Si系的共晶溫度為577，相應的組分配比為Si為11.3%，Al為88.7減少接觸電阻假設Al引線與下方SiO2的粘合、Al/Si接觸中的尖銳楔形現(xiàn)象、Al/Si接觸中的尖銳楔形現(xiàn)象、Al/Si接觸中的尖銳楔形現(xiàn)象、Si溶解以及Al消耗的Si體積：Si在接觸孔區(qū)域A內(nèi)均勻消耗。Al-Si接口氧化層

4、厚度薄的氧(尖楔淺)厚的氧(尖楔深)襯里111:水平擴展，雙極集成電路100:垂直擴展，pn接頭段落，MOS集成電路(尖楔現(xiàn)象)，Al/Si接觸改進尖楔問題(威廉莎士比亞、硅、硅、硅、硅、硅、硅、硅、硅、硅、硅)未溶硅在硅單晶腫瘤歐姆接觸電阻牙齒增大，引線結合困難，雙層金屬化-第二種解決方法，鋁-中度多晶硅(P，As)在堆積鋁膜之前，通常會積累重P(As)摻雜多晶硅溶于鋁所需的硅原子，以抑制尖楔現(xiàn)象。鋁-阻斷層結構-第三種解決方案是在鋁、硅之間堆積薄金屬層，代替中的摻雜多晶硅，稱為阻斷層。一般使用硅化物代替金屬。因為硅化物與硅表面的氧化層反應，與硅很好地附著，與低歐姆接觸。電遷移現(xiàn)象，高電流密

5、度作用下互連引線上的金屬原子沿電子運動方向移動的現(xiàn)象是電遷移(EM)。本質是導體原子與牙齒導體電子流相互作用，鋁的情況是鋁原子沿晶粒之間的邊界擴散。結果：在一個方向形成孔，從而打開或打斷相互連接的引線。另一個方向是鋁原子的積累，形成了山丘，造成了廣角難和多層布線之間的短路。中值過期時間，表示電遷移現(xiàn)象的物理量是互連引線的中值過期時間“中值過期時間”(Median Time to Failure，MTF)，即50%互連引線過期的時間。電遷移改進方法-第一種方法，結構的選擇采用竹結構的鋁引線，構成多晶硅的粒子從下向上穿過引線截面，通過晶粒間的垂直電流方向，因此晶粒間的擴散不起作用。鋁薄膜的鋁原子擴

6、散系數(shù)類似于單晶，因此MTF值可能會上升兩個數(shù)量級。電遷移改進方法-第二種方法，鋁-銅合金和鋁-硅-銅合金Al- Si(1%2%)-Cu(4%)雜質在鋁晶界凝固，從而降低鋁原子在鋁晶界的擴散系數(shù)，從而使MTF提高到1。缺點：提高了電阻率，缺點：牙齒三層金屬在400退火1小時后在兩層鋁之間形成金屬間化合物，防止孔通過整個金屬引線，或者減少晶粒間鋁擴散系數(shù)，使MTF提高23數(shù)量級。尋找新的互連金屬材料-第四種方法、銅和低K介質、互連引線延遲常數(shù)低電阻材料(Cu)低K介質材料、使用Cu作為互連材料的工藝流程、低于0.18um的工藝要求所需的雙大馬士革工藝工藝流程降低互連孔成本，以及大規(guī)模集成電路和多

7、層互連、集成電路技術摩爾定律發(fā)展、零件特性尺寸減少、集成增長互連面積成為決定籌碼面積的主要因素的互連延遲可以與零件語句延遲相比較。 互聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)成為制約集成電路技術發(fā)展的重要因素。單層金屬互連不能滿足需求。應使用多層金屬互連技術。多層金屬互連技術對VLSI的重要性可以大大提高VLSI的整合密度，從而進一步提高整合率。互連是一種互連，通過減少設備之間互連引起的延遲，可以在較小的籌碼區(qū)域中實現(xiàn)相同的電路功能。每個附加層需要兩個遮罩板，多層互連的工藝過程，平整。(a)不平坦(b)部分平坦的油田層外觀(CVD SiO2后瞬間)(c)局部平坦的油田層(使用犧牲層技術)(d)具有全面平坦性的油田層(CMP

8、)，平整；硅和拋光板都以一定的速度旋轉，并利用磨料提供的化學反應和硅在拋光板上承受的機械拋光，消除了硅表面的突出部分，最終實現(xiàn)了平整。問題：終點站檢測(需要中斷層)研磨產(chǎn)物清洗，提高樓梯復蓋性的方法，補型罩原因是反應物吸附，反應時有明顯的表面移動。吸附原子遷移率的元素吸附原子的種類、能量基板溫度離子吸附原子的轟擊反應室類型、累積環(huán)境BPSG回流、真空蒸發(fā)、行星旋轉真空沉積裝置使用CMP工藝、改善樓梯復蓋的方法、接觸和互連的現(xiàn)狀和發(fā)展、當前互連密度(籌碼總面積的7080%)連接寬度窄(電阻) 淺連接滲透等Cu工藝問題電鍍或化學鍍方法(包括CMOS工藝)電遷移性能下降)CVD(可靠性不好)刻蝕工藝低介電率介質材料多孔介質材料非常脆，整合工藝面臨很大困難。后工序，主要工藝計劃；長篇焊接引線；封裝成品測試印刷包裝1。切片用激光束、金鋼刀、金鋼輪、包裝是將芯片組裝在外殼支架或框架上。常用的方法有裴秀智鍵、共晶焊、鉛錫合金焊等。籌碼、框架、銀漿、籌碼、框架上籌碼