半导体金属化：沉积与单层系统标准（二）
2025/6/24 13:58:02   来源：    点击：70

多层金属方案

芯片密度的增加使得更多的器件被放置在晶圆表面，这反过来又减少了可用于表面布线的面积。解决这一困境的答案是多层金属化方案（见下图所示）。到2012年，国际半导体技术路线图（ITRS）预计会有15到20层金属。

一个基本的双金属堆叠见下图所示。堆叠从通过硅化硅表面形成的阻挡层开始，以降低表面与下一层之间的电接触电阻。阻挡层还可以防止铝和硅的合金化，如果使用纯铝作为导电材料。接下来是一层介质材料，称为金属间介质层（IDL或IMD），它提供金属层之间的电隔离。这种介质可以是沉积的氧化物、硅氮化物或聚酰亚胺薄膜。这一层经过光刻步骤，蚀刻出新的接触孔，称为通孔或插头，一直蚀刻到第一层金属。通过在孔中沉积导电材料来创建导电插头。然后，沉积并图案化第二层金属。如果还有后续层，则重复IMD/插头/金属沉积或图案化序列。多层金属系统成本更高、产量更低，并且需要更多地关注晶圆表面和中间层的平面化，以创建良好的电流承载引线。

导体材料

铝

本节讨论用于金属互连层的三种主要材料。在超大规模集成电路（VLSI）级电路出现之前，主要的金属化材料是纯铝。选择铝及其局限性有助于理解金属化系统的一般性。从电导角度来看，铝的导电性不如铜和金。如果用铜直接替代铝，它与硅的接触电阻很高，如果进入器件区域，会对器件性能造成严重破坏。铝成为首选金属是因为它避免了上述问题。它的电阻率足够低（2.7微欧姆·厘米），具有良好的电流密度承载能力。它对二氧化硅的粘附性很好，可以以高纯度获得，与硅的自然接触电阻很低，并且相对容易用传统的光刻工艺进行图案化。铝的来源被提纯到5到6个“9”的纯度（99.999%到99.9999%）。

铝硅合金

晶圆表面的浅结提出了使用纯铝引线的第一个问题。问题是需要烘烤铝硅界面以稳定电接触。这种类型的接触称为欧姆接触，因为其电压-电流特性符合欧姆定律。不幸的是，铝和硅相互溶解，并且在577℃时达到共晶形成点。当两种材料加热接触时，共晶形成发生在比它们各自熔点低得多的温度。共晶形成发生在一定温度范围内，铝硅共晶从大约450℃开始形成，这也是良好电接触所需的温度。问题（通常称为尖峰）在浅结处尤为严重。如果合金区域很深，它可能会完全穿过结，将其短路（见下图所示）。

有两种解决方案。一种是阻挡金属层（见阻挡金属部分），它将铝和硅分开，防止共晶合金形成。第二种是铝与1%到2%的硅的合金。在接触加热步骤中，铝更多地与合金中的硅合金化，而不是与晶圆中的硅合金化。这个过程不是100%有效，铝与晶圆之间总会发生一些合金化。

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