Назначение и требования к металлизации
Число уровней металлизации на сегодняшний день достигает 8-9. Система металлизации представляет собой сложную систему планарных чередующихся металлических и диэлектрических слоев. Обычно такая система включает в себя несколько функционально различных металлических слоев: контактный, барьерный, локальные межсоединения, вертикальные проводники, высокопроводящий слой. К каждому из них предъявляются свои требования.
Обеспечить минимальные контактные сопротивления металла к n+-Si, р+-Si и поли-Si должны омические контакты. К материалам контактных слоев предъявляются следующие требования: они должны обладать низким удельным сопротивлением, низким контактным сопротивлением к p- и n-областям, высокой термостабильностью, устойчивостью к электромиграции и т. д. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют силициды металлов. В современных ИС в качестве омических контактов обычно используются слои силицидов TiSi2 и CoSi2, NiSi.
Барьерные слои служат препятствием к межслойному взаимодействию и диффузии материала из верхних проводящих слоев в кремний. Основные требования, которые к ним предъявляются, это малые значения коэффициента диффузии металлов и кремния через барьерный слой и отсутствие химического взаимодействия с материалами окружающих слоев. Обычно это сплавы тугоплавких металлов и их нитриды, Ti:W, TiN. Для создания барьерных слоев наиболее часто используются следующие методы: газофазное осаждение, магнетронное распыление с коллимированным осаждением, ионно-активированное осаждение.
В качестве материала высокопроводящих горизонтальных проводников широко используются сплавы на основе Al (обычно Al с добавкой менее 1 % Cu), отделенные слоями Ti/TiN/Ti или Ti/TiN. Эти проводники, расположенные на различных уровнях, соединяются между собой вертикальными проводниками Ti/TiN/W. Значение эффективного удельного сопротивления такой схемы межсоединения лежит в интервале 4 – 4.5 мкОм*см. Уменьшить значение удельного сопротивления до ~ 2 мкОм*см можно за счет использования меди в качестве материала горизонтальных и вертикальных проводников. Кроме того, медь обладает лучшим, чем алюминий, сопротивлением к электромиграции. Среди недостатков, присущих меди, можно отметить плохую адгезию на SiO2 и полимерных диэлектриках, сильную коррозию на воздухе, большой коэффициент диффузии в Si и во многих межслойных диэлектриках, включая SiO2.
Замена Al металлизации на Cu металлизацию и SiO2 c диэлектрической постоянной e=3.9 на low-k диэлектрики с e=1.3 – 1.6 позволяет значительно увеличить максимальную длину соединений, а значит повысить характеристики ИС без увеличения числа уровней металлизации, и тем самым уменьшить стоимости производства.
Контактные слои для нанотехнологии
Одним из основных вопросов при формировании контактных слоев в настоящее время является уменьшение количества потребляемого из подложки кремния, которое вытекает из необходимости контактов к мелко залегающим p-n-переходам. В связи с этим в качестве возможного материала для контактных слоев ИС нанометрового диапазона широко рассматривается NiSi. Для формирование слоя NiSi требуется, например, на 20% меньше кремния, чем для формирования слоя CoSi2. Основным препятствием на пути внедрения данного материала является его термическая нестабильность: при температуре >700оС происходит переход низкоомной фазы NiSi в высокоомную NiSi2. Поэтому не следует исключать возможность возвращения дисилицидов титана и кобальта в качестве материала контактных слоев. Эти материалы активно применяются в ИС нескольких поколений. Считается, что они имеют ряд недостатков, которые не позволяют их использовать для технологических норм <100 нм. В последнее время предпринимаются усилия, направленные на усовершенствование традиционных процессов формирования контактных слоев на основе дисилицидов титана и кобальта.
Барьерные слои для медной металлизации
в качестве материала горизонтальных и вертикальных межсоединений все чаще применяется медь, которая имеет низкое удельное электрическое сопротивление 1.72 мкОм*см (для сравнения удельное сопротивление алюминия составляет 2.83 мкОм*см) и лучшее (на 3 порядка выше чем у Al) сопротивление к электромиграции. Среди недостатков были отмечены плохая адгезия к SiO2 и полимерным диэлектрикам, быстрое окисление на воздухе, сильная диффузия во многие диэлектрики, включая SiO2, и в Si.
Решить эти проблемы можно двумя способами. Первый заключается в использовании барьерно-адгезионного слоя. Основным препятствием при его реализации является выбор материала, толщины и метода формирования барьерного слоя, поскольку, с одной стороны, он должен предотвращать взаимную диффузию между Cu и другими материалами, а с другой, не сильно повышать сопротивление межсоединения.
Второй метод, который может значительно упростить технологию формирования медных межсоединений, заключается в осаждении медных сплавов. За счет процессов самоорганизации происходит фазовое расслоение сплава и образование диффузионного барьера на границе с диэлектриком. Добавленный элемент также окисляется на поверхности и формирует слой защитного оксида.