什么是金属互连工艺?

[拼音]：jinshu hulian gongyi

[外文]：metallization interconnection technology

在集成电路片上淀积金属薄膜，并通过光刻技术形成布线，把互相隔离的元件按一定要求互连成所需电路的工艺。

对用于集成电路互连的金属材料的要求是：电阻率低，能与元件的电极形成良好的低欧姆接触；与二氧化硅层的粘附性要好；便于淀积和光刻加工形成布线等。

铝是最常用的集成电路互连金属材料，能满足上述要求。铝的电阻率为2.8×10-6欧·厘米，仅略高于银、铜等少数金属的电阻率。铝能与N+和 P+的锗和硅同时形成良好的欧姆接触，对二氧化硅的粘附性良好。铝便于蒸发淀积形成薄膜和光刻腐蚀加工形成布线。因此，长期以来铝一直是集成电路中广泛使用的金属互连材料，但有如下一些缺点：

（1）铝和硅的接触电阻偏大，硅表面很难避免有一层厚约10～20埃的自然氧化层，受这一层二氧化硅的影响，铝-硅的接触电阻易于偏大。通过400～500


的热处理可以有效地减小铝-硅接触电阻，但当接触孔尺寸很小时，接触电阻偏大仍是一个问题。

（2）铝和硅间产生固-固扩散，在上述400～500


的热处理过程中，与铝接触的硅原子溶入铝并沿铝布线扩散。在冷却过程中，进入铝中的硅原子又可能在接触孔处再结晶形成掺铝的P型硅，造成对浅PN结的破坏，使电路失效。

（3）铝存在电迁徙现象，当通过铝布线的电流密度超过106安/厘米2时，电流会引起铝原子质量迁移。由于铝的电迁徙明显，要求1微米厚的铝布线每1微米宽度的电流强度不大于 1毫安。这对线宽的缩小是一个限制。

（4）铝不能承受高温处理，铝和硅接触的最低共熔点为 577


。布线之后，硅片的加工温度受到限制。高于该温度的扩散或热氧化工序不能在布线之后进行，这对自对准技术是个限制。

（5）铝-硅肖特基势垒高度不稳定，在双极型高速电路工艺中，布线金属往往又是金属-半导体接触二极管（如肖特基势垒二极管）的接触金属。铝可以与N-Si形成肖特基势垒二极管，但铝-硅肖特基器件有接触不均匀、串联电阻大和热处理后势垒高度变化等缺点。

因为铝的上述缺点，以及由于控制肖特基势垒二极管势垒高度和适应MOS晶体管阈值电压的需要，可采用合金或多元金属系统来代替单一的铝布线金属，其中比较常见的有：

（1）在铝中掺入1％～2％的硅，可以防止热处理时硅向铝中的溶入，以避免对浅结的破坏。掺硅铝的淀积比较困难，但对防止浅结受到破坏的效果较好。

（2）在铝中掺入2％～4％的铜，可使电迁徙效应减低一个数量级，布线的电流容量增加10倍。

（3）难熔金属硅化物-阻挡金属-铝的多元结构，用铂或钯等难熔金属的硅化物和硅接触，可形成良好的欧姆接触和稳定的肖特基势垒。但是，这些金属硅化物在高温下容易和铝作用，使接触性能发生变化。为此，在这种硅化物和铝之间淀积一层耐熔金属如钨和钛等作为阻挡金属，以阻止或延缓铝和难熔金属硅化物之间的反应。这种多元结构在低功耗肖特基电路中已广泛应用。

（4）多晶硅和难熔金属硅化物－多晶硅结构。在 MOS电路中常用掺杂的多晶硅作为栅极材料并兼作一层布线材料。其优点是多晶硅可以经受高温工艺，并可在表面生长氧化层，又可得到适当的MOS晶体管的阈值电压，但多晶硅的薄层电阻约为20～50欧。当电路集成度增大时，较大的串联电阻会造成较大的串联电压降和RC延迟时间而影响电路速度。为此，又提出硅-难熔金属化合物替代技术，其法是在多晶硅上面再生成一层难熔金属硅化物。这种多层结构的布线的电阻比多晶硅低1～2个数量级，又能保持多晶硅的优点。

集成电路的金属互连技术，随着集成度的提高，也从简单向复杂、从单层向多层发展。大规模集成电路中，两层和两层以上的金属布线已得到广泛应用。

在金属互连技术中，金属淀积是关键技术，采用的工艺有蒸发、溅射和化学淀积等。真空蒸发工艺使用广泛；溅射工艺可形成附着力强的金属膜，对耐熔金属和合金的淀积特别适宜；化学汽相淀积工艺在淀积耐熔金属和金属硅化物等方面也开始得到应用。