集成電路工藝原理(1)(已修改)
2025-05-12 18:17 本頁面
【正文】 集成電路工藝原理 第七章 金屬互聯(lián) 本章概要 ? 引言 ? 金屬鋁 ? 金屬銅 ? 阻擋層金屬 ? 硅化物 ? 金屬淀積系統(tǒng) 引言 概述 金屬化是芯片制造過程中在絕緣介質(zhì)薄膜上淀積金屬薄膜 ， 通過光刻形成互連金屬線和集成電路的孔填充塞的過程 。 金屬線被夾在兩個(gè)絕緣介質(zhì)層中間形成電整體 。 高性能的微處理器用金屬線在一個(gè)芯片上連接幾千萬個(gè)器件 ， 隨著互連復(fù)雜性的相應(yīng)增加 ， 預(yù)計(jì)將來每個(gè)芯片上晶體管的密度將達(dá)到 10億個(gè) 。 由于 VLSI組件密度的增加 ， 互連電阻和寄生電容也會(huì)隨之增加 ， 從而降低了信號(hào)的傳播速度 。 減小互連電阻可通過用銅取代鋁作為基本的導(dǎo)電金屬而實(shí)現(xiàn) 。 對(duì)于亞微米的線寬 ， 需要低 K值層間介質(zhì) （ ILD） 。 通過降低介電常數(shù)來減少寄生電容 。 引言 概述 特征尺寸的縮小將導(dǎo)致互連引線橫截面面積和線間距的減小，電阻、電容、電感引起的寄生效應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響電路的性能，包括信號(hào)傳輸延遲的增加和信號(hào)傳輸畸變顯著，使得互連性能降低。 實(shí)際上，當(dāng)集成電路技術(shù)發(fā)展到深亞微米技術(shù)時(shí)代以后，互連已成為確定集成電路性能、封裝密度、可靠性、生產(chǎn)率和成本的重要因素之一。當(dāng)集成電路技術(shù)進(jìn)入納米技術(shù)時(shí)代時(shí)，互連將成為制約集成電路性能提高和成本下降的主要因素。需要指出的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步和特征尺寸的縮小，互連引線間距的縮小和互連的密度的增加，所需要的互連引線的層數(shù)也增加。 引言 多層金屬 引言 金屬化概念 芯片金屬化是指應(yīng)用化學(xué)或物理處理方法在芯片上淀積導(dǎo)電金屬膜的過程 。 這一過程與介質(zhì)的淀積緊密相關(guān) ， 金屬線在 IC電路中傳輸信號(hào) ， 介質(zhì)層則保證信號(hào)不受鄰近金屬線的影響 。 金屬化對(duì)不同金屬連接有專門的術(shù)語名稱 。 互連 （ interconnect） 意指由導(dǎo)電材料 （ 鋁 、 多晶硅或銅 ） 制成的連線將信號(hào)傳輸?shù)叫酒牟煌糠??；ミB也被用做芯片上器件和整個(gè)封裝之間普通的金屬連接 。 接觸 （ contact） 意指硅芯片內(nèi)的器件與第一層金屬之間在硅表面的連接 。 通孔 （ via） 是穿過各種介質(zhì)層從某一金屬層到毗鄰的另一金屬層之間形成電通路的開口 。 “ 填充薄膜 ” 是指用金屬薄膜填充通孔 ， 以便在兩金屬層之間形成電連接 。 引言 金屬互聯(lián) 層間介質(zhì) （ ILD） 是絕緣材料 ， 它分離了金屬之間的電連接 。 ILD一旦被淀積 ， 便被光刻刻蝕成圖形 ， 以便為各金屬層之間形成通路 。 用金屬 （ 通常是鎢 W） 填充通孔 ， 形成通孔填充薄膜 。 在一個(gè)芯片上有許多通孔 ， 據(jù)估計(jì) ， 一個(gè) 300mm2單層芯片上的通孔數(shù)達(dá)到一千億個(gè) 。 在一層 ILD中制造通孔的工藝 ， 在芯片上的每一層都被重復(fù) 。 金屬化正處在一個(gè)過渡時(shí)期 ， 隨著銅冶金術(shù)的介入正經(jīng)歷著快速變化以取代鋁合金 。 這種變化源于刻蝕銅很困難 ， 為了克服這個(gè)問題 ， 銅冶金術(shù)應(yīng)用雙大馬士革法處理 ， 以形成通孔和銅互連 。 這種金屬化過程與傳統(tǒng)金屬化過程相反 （ 見下圖 ） 。 引言 金屬互聯(lián) 傳統(tǒng)互聯(lián)和大馬士革互聯(lián)的比較 引言 金屬類型 ? 金屬類型 對(duì) IC工藝中的金屬材料的要求是： 1. 導(dǎo)電率： 為維持電性能的完整性 ， 必須具有高導(dǎo)電率 ， 能夠傳導(dǎo)高電流密度 。 2. 粘附性： 能夠粘附下層襯底 ， 容易與外電路實(shí)現(xiàn)電連接 。 與半導(dǎo)體和金屬表面連接時(shí)接觸電阻低 。 3. 淀積： 易于淀積并經(jīng)相對(duì)的低溫處理后具有均勻的結(jié)構(gòu)和組分 ( 對(duì)于合金 ) 。 能夠?yàn)榇篑R士革金屬化工藝淀積具有高深寬比的間隙 。 引言 金屬類型 4. 刻印圖形 /平坦化： 為傳統(tǒng)鋁金屬化工藝提供具有高分辨率的光刻圖形；大馬士革金屬化易于平坦化 。 5. 可靠性： 為了在處理和應(yīng)用過程中經(jīng)受住溫度循環(huán)變化 ， 金屬應(yīng)相對(duì)柔軟且有較好的延展性 。 6. 很好的抗腐蝕性 ， 在層與層之間以及下層器件區(qū)具有最小的化學(xué)反應(yīng) 。 7. 應(yīng)力： 很好的抗機(jī)械應(yīng)力特性以便減少硅片的扭曲和材料失效 ， 比如斷裂 、 空洞的形成和應(yīng)力誘導(dǎo)腐蝕 。 引言 金屬類型 硅和硅片制造業(yè)中所選擇的金屬（在 20℃ ） 金屬鋁 概述 在半導(dǎo)體制造業(yè)中 ， 最早的互連金屬是鋁 ， 目前在 VLSI以下的工藝中仍然是最普通的互連金屬 。 在 21世紀(jì)制造高性能 IC工藝中 ， 銅互連金屬有望取代鋁 。然而 ， 由于基本工藝中鋁互連金屬的普遍性 ， 所以選擇鋁金屬化的背景是有益的 。 鋁在 20℃ 時(shí)具有 cm的低電阻率 ， 比銅 、金及銀的電阻率稍高 。 然而銅和銀都比較容易腐蝕 ，在硅和二氧化硅中有高的擴(kuò)散率 ， 這些都阻止它們被用于半導(dǎo)體制造 。 另一方面 ， 鋁
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