结“穿通”:在加热过程中,铝和硅之间易出现 不希望的反应,该反应导致接触金属和硅形成微合 金,这一过程被称为结“穿通”。当纯铝和硅界面 加热时结尖刺发生,并导致硅向铝中扩散。结尖刺 的问题可通过在铝中添加硅和阻挡层金属化两种方 法解决。 浅结 结短路 半导体制造技术 Figure 12.5 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 结“穿通” ：在加热过程中，铝和硅之间易出现 不希望的反应，该反应导致接触金属和硅形成微合 金，这一过程被称为结“穿通” 。当纯铝和硅界面 加热时结尖刺发生，并导致硅向铝中扩散。结尖刺 的问题可通过在铝中添加硅和阻挡层金属化两种方 法解决。 结短路 浅结 Figure 12.5
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C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。在ULS 技术、高级电路的设计中,芯片温度会随着电流 密度而增加,两者都会使铝芯片金属化更易引起 电迁徒。 小丘短接的两条金属线 尽还个级欢 金属线中的空洞 半导体制造技术 Figure 12. 6 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 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。在ULIS 技术、高级电路的设计中，芯片温度会随着电流 密度而增加，两者都会使铝芯片金属化更易引起 电迁徒。 小丘短接的两条金属线 金属线中的空洞 Figure 12.6
C互连金属化引入铜的优点 1.电阻率的减小:在20℃时,互连金属线的电阻 率从铝的2.65μ2cm减小到铜的1678μg2-cm ;减少RC的信号延迟,增加芯片速度。 2.功耗的减少:减小了线的宽度,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.良好的抗电迁徒性能: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%to30%的潜力 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda IC互连金属化引入铜的优点 1. 电阻率的减小：在20℃时，互连金属线的电阻 率从铝的2.65 -cm 减小到铜的1.678 -cm ；减少RC的信号延迟，增加芯片速度。 2. 功耗的减少：减小了线的宽度，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. 良好的抗电迁徒性能：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
与025-m器件比较互连延迟的变化 工艺技术 0.25 0180.13 m m m 传统互连技术 21%|+93% 铝/铜互连合金和氮化钛阻挡层金属 新一代技术 减少阻挡层的厚度 10% 低-k值(30)介质 27 双大马士革铜互连和填充薄膜 16% 半导体制造技术 Table 12.2 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 与 0.25-m 器件比较互连延迟的变化 工艺技术 0.25 m 0.18 m 0.13 m 传统互连技术： • 铝/铜 互连合金和氮化钛阻挡层金属 0 +21% +93% 新一代技术： • 减少阻挡层的厚度 • 低-k 值 (3.0)介质 • 双大马士革铜互连和填充薄膜 -10% -27% -16% Table 12.2
铝和铜之间特性和工艺的比较 特性/工艺 Cu 电阻率(pgcm) 2.65 1.678 (32forA-0.5%Cu) 抗电迁徒 Low High 空气中抗侵蚀 High Low CVD工艺 Yes No CMP化学机械平坦化工艺 Yes Yes 半导体制造技术 Table 12.3 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 铝和铜之间特性和工艺的比较 特性/工艺 Al Cu 电阻率 (-cm) 2.65 (3.2 for Al-0.5%Cu) 1.678 抗电迁徒 Low High 空气中抗侵蚀 High Low CVD 工艺 Yes No CMP 化学机械平坦化工艺 Yes Yes Table 12.3