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1、微电子工艺原理与技术( 09研究生 ）,李 金 华,火星表面,第十五章 器件隔离、接触和金属化,主要内容,1.器件隔离种类；2.PN结隔离；3.绝缘介质隔离；4.沟槽隔离；5.肖特基接触；6.欧姆接触；7.合金接触；8.互联与多层布线；9.平坦化和先进互连工艺。,器件在单元元件的制作时，为了消除穿通和寄生效应，必须互相隔离，称为元器件隔离(device isolation)。通过隔离，各个元器件制作在相互隔离着的区域内。在完成单元元件制作后，为了实现整体功能，必须用低电阻的金属线互连，而互连线与元件必须有良好的接触。这是本章讲述内容。集成电路的制造分为器件的隔离、器件的形成和布线这三个工序。,
2、1.器件隔离的种类,器件的隔离主要有三种方法： PN结隔离、绝缘介质隔离和沟槽隔离,寄生效应双极晶体管的寄生效应 解决办法：沟槽隔离 PN结隔离,2. CMOS的寄生效应 解决办法： PN结隔离和氧化隔离,寄生效应,寄生效应,3. 体内寄生 解决办法：采用SOI材料,1. PN结隔离,利用PN结的反向特性隔离，通常纵向用外延层（双极电路）、P阱、N阱（MOS电路）隔离，横向用P+，或N+带或环隔离。 P+，或N+的形成可用扩散或离子注入。 对TTL电路，在10V偏压下，要求每个扩散区周围有4m间距或器件间有8 m 的间距。考虑到横向扩散，器件间距应当在12 m 。器件密度同样影响PN结隔离的宽
3、度。后面图中画出了隔离间距与器件密度的关系。 为了降低寄生器件导通，往往在器件重掺杂区之间用P+保护环作再隔离。保护环必须有大于2 m 的深度，否则，寄生管的耗尽层会在保护环的下方扩展，造成器件间的短路。由于保护环要在热处理周期的早期完成，其最终宽度一般大于5 m 。显然，它要影响器件密度。所以，PN结隔离只适用于低密度、低成本的器件。,外延层纵向隔离,P+环横向隔离,PN结隔离,MOS电路的 阱隔离,PN结隔离,TTL 电路的 环隔离,3. 绝缘介质隔离,绝缘介质隔离一般为氧化隔离，即在单元器件间（场区）用局部氧化（LOCOS）方法生长厚氧化层，提高寄生管的开启电压，使它事实上处于截止状态，
4、达到隔离的目的。它是最典型的隔离方法。,典型的LOCOS工艺用LPCVD Si3N4做氧化掩蔽，因为Si3N4与Si应力不匹配，通常用厚度不少于Si3N4 厚度1/3的SiO2作过渡。场氧化前通常要做提高场开启电压的场注入参杂，场氧化层的厚度一般都在1 m以上，它有平缓的台阶边缘，适合后续工艺的薄膜覆盖。但由于横向氧化，在其边缘会产生“鸟嘴”，造成器件的有效宽度减小，降低了器件的驱动电流。侧壁掩蔽隔离技术，用KOH前腐蚀或等离子刻蚀对Si的产生的斜侧壁能有效遏制场氧化时“鸟嘴”的产生。,LOCOS 场区氧化隔离,侧壁隔离氧化技术示意,4. 沟槽隔离,由于局部氧化时的“鸟嘴”现象(横向每边0.3
5、m的伸长），氧化介质隔离不能满足高密度( 107cm2)、小尺寸（ 0.18 m)的器件生产要求，虽然也可用侧壁掩蔽隔离技术来减少“鸟嘴”现象，但最有效的办法是将氧化隔离改为沟槽隔离。,对于先进的LOCOS工艺，其最小隔离的距离的绝对值约为0.8 m（从一个N+P到另一个N+P，的边缘），限制隔离距离不再是表面的或简单的穿通现象，而是称为漏感应势垒降低的穿通效应。 沟槽隔离分浅槽隔离、深槽隔离两种。浅槽隔离类似于介质隔离，但氧化层不再是LOCOS生长的热氧化层，而是采用沉积氧化层。深槽隔离一般要求刻蚀出2-5 m的深槽，要求侧壁光滑、有圆弧型槽底，避免因应力引发氧化缺陷。 解决隔离的最好办法是
6、采用SOI材料，器件制作在互相隔离的岛上。GaAs器件通常也生长在绝缘衬底上，隔离容易。,浅槽隔离,浅槽隔离,深槽隔离,5. 肖特基接触,为了将半导体器件与外部有效联系，必须在半导体片上淀积一层金属而形成紧密的接触，称为金属半导体接触。金属半导体接触，由于具体情况不同，可以有不同的伏安特性。通常，接触可分为欧姆接触和整流接触（肖特基接触）。当半导体掺杂浓度较低(如低于5 1017厘米3)，这时表现出类似PN结的单向导电性，称为肖特基接触（SBD）。,肖特基接触势垒的高低由金属的功函数m（从金属表面移走一个电子所需要的能量-eV单位），和半导体的费米能级与真空能级的电势差 s决定。理论上讲，当m
7、 s 且半导体为N型,或m s且半导体为P型都可以形成肖特基二极管。在Si 上，肖特基接触势垒高度ms随金属不同有较大变化，但在GaAs上，都在0.8V左右。 肖特基势垒接触的应用非常广泛，在GaAs衬底上，由于没有合适的氧化物， GaAs场效应管不是MOSFET，而是MESFET。另外肖特基二极管也有广泛的应用。,肖特基势垒二极管具有速度快，正偏电压小的特点，在微波技术、高速集成电路等许多领域都有重要的应用。,金属半导体接触,金属半导体接触,各种金属与Si和GaAs的肖特基势垒高度,GaAs MESFET,Si SBD,肖特基接触的应用,当半导体掺杂浓度很高(如高于1020厘米3）时，这时无
8、论加正向或反向电压，电流都随电压很快增大，相当于一个很小的电阻，称为欧姆接触。在重掺杂时，载流子可以直接以隧道穿透方式穿过势垒，不再受限于热电子发射。单位面积接触电阻为： 式中， 所以为了获得良好的欧姆接触，必须在半导体和金属连线的接触区的掺杂浓度高于1020厘米3。欧姆接触的接触电阻可以低到10-7cm2。接触孔区的高掺杂可用扩散和离子注入完成，为了保证半导体与金属间有可靠的接触，必须在连线光刻完成后做合金处理，对Al-Si 连线，在温度为430-450C的N2/H2（4：1）混合气体（Forming gas）中进行合金，时间约30min。H2的加入是为了降低CMOS 器件的界面态。,6.
9、欧姆接触,合金退火中的Al钉扎 现象,减少Al 吃 Si现象的办法：采用Al-Si合金（0.5%-1.5%）,7. 合金接触,GaAs和其它化合物半导体的欧姆接触通常采用合金接触。原因是单一的金属较难与它们形成良好的欧姆接触。常用的N 型GaAs接触合金是GeMoW和NiAuGe。在接触孔 完成彻底的清洗后，先沉积150nm的Au（88%）-Ge（12%）共晶体，再淀积10-50nm的Ni。在Ni的上面可再淀积难融的阻挡层金属和Au，以减小金属线电阻。将这样的结构在450 C 的N2/H2混合气体中退火30分就形成了欧姆接触，接触电阻可达10-6 cm2。P型GaAs的合金欧姆接触研究不多。,
10、Au与Ga反应，形成合金，留下高浓度Ga 空位， Ge扩散进GaAs替代Ga，成N型重掺杂。,8. 互连与多层布线,VLSI设计需要把器件连到一起以构成完整的系统，连线是指利用导体的掩膜图形为设计中的单元之间提供电气通路。设计规则要求连线必须满足最小宽度和最小间距。每一根连线都必须根据规则与邻近线保持间距。在VLSI设计中，连线可能非常复杂以致于需要采用多层布线。 现代CMOS工艺中，通常有6层或6层以上布线。对互连线的要求：1.低电阻值：产生的电压降最小；信号传输延时最小2.与器件之间的接触电阻低3.长期可靠工作,可能的互连线材料：,1. 金属（低电阻率）2. 多晶硅（中等电阻率）3. 高掺
11、杂区的硅(注入或扩散)（中等电阻率）,金属互连材料,1. Al是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料，但Al连线也存在一些比较严重的问题：电迁移严重、电阻率偏高、浅结穿透等2. Cu、Cu/Al合金连线工艺有望从根本上解决该问题目前，互连线已经占到芯片总面积的7080%；且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加。,多层布线,多层布线在Si IC中主要是为了提高集成度，但在GaAs电路中主要是为了优化工艺、提高速度。多层金属布线的主要考虑问题是：电容值，电容的大小直接影响器件的工作速度。互连线产生的电容不仅包括互连线与衬底的上下层间的平行板电容模式，而且还有互连线间的分布电容。随着线条尺寸的缩小
12、，互连线间的分布电容由于边缘效应没有明显的减低。为了降低分布电容，可以减小线条宽度和采用多层布线。用Cu替代Al可以减薄线条厚度，减小分布电容。另外，降低层间绝缘介质的介电常数可以有效降低层间电容。方法主要有两种：采用掺F SiO2和多孔材料。连线阻抗，对高频微波电路特别重要。往往要求采用低电阻金属尽量少用多晶硅等材料、缩短连线长度和有良好接地。,3. 电迁移效应， 所谓电迁移是指：当连线中电流携带的电子把动量转移给导电的金属原子，从而在大电流时产生互连线中金属原子的移动现象。在金属原子消耗的地方互连线断开，积累的地方形成小丘。从而使 器件失效。在Al中加1%-4%的Cu ，减少了Al的边界扩
13、散，提高了电迁移的激活能，从而可以有效遏制电迁移现象。在Al 中加入Ti或TiN也可以降低电迁移。4. 空洞效应，在多层布线时，有时会在线条上形成小缝或小块，这是由于金属与周围介质的热膨胀差异造成。避免的方法同样可以采用Al-Cu合金材料。 多层布线还有许多诸如：设计、层间接触、热兼容、工艺兼容等许多问题，它比单层布线难度大得多。,9.平坦化和先进互连工艺,工艺台阶的存在影响了金属互连线的布线和线对（线条和间隔）尺寸的减小。解决的方法是采用平坦化工艺和多层布线。 平坦化的方法主要是介质回流平坦和化学机械抛光（CMP）。 常用的回流介质是P-SiO2，B-SiO2和PB-SiO2。用F掺入PEC
14、VD SiO2，可以降低其介电常数，从而降低互连电容。 对超细特征尺寸IC来讲，CMP是最有效的平坦化工艺。 IC的互连金属，从Al到Al-Si合金，是为了降低Al吃Si的Al钉问题，用Al-Cu合金替代Al-Si是为了解决电迁移问题。目前，最先进的互连线金属是Cu，它的抗电迁移能力是Al-Cu的10倍。但Cu的刻蚀较难解决。目前，最常用的方法是镶嵌法。即：先沉积牺牲层，再光刻连线和接触孔，再沉积Cu，最后用CMP技术去除牺牲层和同一高度的Cu，得到平坦化表面。,回流平坦化工艺,铜互连线的镶嵌法工艺：（a）单镶嵌；（b）双镶嵌。,作业：,1. P438 2,3,92. 说明常用的隔离方法及特点说明金属-半导体接触的种类，实现欧姆接触和肖特基接触的条件是什么？4. 金属化的目的是什么？谈谈Al-Si金属化的工艺条件和注意问题。5. 说明用Cu替代Al作互连线的原因和多层金属布线应注意的问题。,
