认识IC制造中绝缘材料和金属材料的性质与用途

一、IC制造中绝缘材料的性质和用途

如同电气系统，在IC的材料系统中，绝缘体同样起着不可缺少的作用。在制作IC时，必须同时制作器件之间、有源层及导电层之间的绝缘层，以实现它们之间的电隔离。在MOS器件里，栅极与沟道之间的绝缘更是必不可少的。绝缘层的其他功能包括：

（1）充当离子注入及热扩散的掩膜。

（2）作为生成器件表面的钝化层，以保护器件不受外界影响。SiO2、SiON和Si3 N4是IC系统中常用的几种绝缘材料。

随着连线的几何尺寸持续地缩小，需要低介电常数的层间绝缘介质，以减小连线之间的寄生电容和串扰。对于250nm技术的产品，人们采用介电常数为3.6的SiOF介质材料；对于180nm技术的产品，人们则采用介电常数小于3.0介质材料。

另一方面，对大容量动态随机存储器（DRAM）的要求，推动了低漏电、高介电常数介质材料的发展。同时，高介电常数介质材料还可以在逻辑电路、混合信号电路中用于滤波电容、隔离电容和数模转换用电容的制造。目前高介电常数介质材料的发展集中在介电常数约为25的化学气相淀积（CVD）解决方案上，延期的解决方案包括物理气相沉积（PVD）和等离子增强化学气相淀积（PECVD），预计将达到介电常数大于等于100。

二、金属材料的性质和用途

金属材料有三种功能：

①形成器件本身的接触线。

②形成器件间的互连线。

③形成焊盘。

半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半导体掺杂浓度的不同，可以形成欧姆接触或肖特基型接触。(www.xing528.com)

如果掺杂浓度足够高，隧道效应就可以抵消势垒的影响，那么就形成了欧姆接触。

铝、铬、钛、钼、铊，钨等纯金属薄层在VLSI制造中正逐步引起人们的兴趣。这是由于这些金属及合金有着独特的属性。如对Si及绝缘材料有良好的附着力，高电导率，可塑性，容易制造，并容易与外部连线相连。纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件的互联线、栅极电容、电感传输线的电极等。

在硅基VLSI技术中，由于铝几乎可满足金属连接的所有要求，所以被广泛用于制作欧姆接触及导线。随着器件尺寸的日益减小，金属连线的的宽度越来越小，导致连线电阻越来越高，其RC常数成为限制电路速度的重要因素。要减小连线电阻，采用低电阻率的金属或合金成为值得优先考虑的方法。

只有在纯金属不能满足一些重要的电学参数、达不到可靠度的情况下，IC金属工艺中才采用合金。硅铝、铝铜、铝硅铜及钨锑等合金已用于减小峰值、增大电子迁移率、增强扩散屏蔽和改进附着特性等，或用于形成特定的肖特基势垒。例如，在铝中多加1t%的重量的硅便可使铝导线上的缺陷减至最少，而在铝中加入少量的铜，则可使电子迁移率提高10～1000倍；通过金属之间或与硅的互相掺杂可以增强热稳定性。

因为铜的电阻率为1.7μΩ/cm，比铝3.1μΩ/cm的电阻率低，从而可以在相同条件下减少约40%的功耗，能轻易实现更快的主频，并能减小现有管芯的体积。今后，以铜这种优良的导体来代替铝用于集成电路中晶体管的互联将成为半导体技术发展的趋势。IBM公司已经推出铜布线的CMOS工艺，并开始销售采用铜布线的400MHz Power PC芯片。IBM公司为苹果公司的新型iBook提供经过特殊设计的铜工艺芯片，这种耗能很低的芯片可以使iBook能够用一块电池工作一整天。

由于GaAs与III/V器件及IC被应用于对速度与可靠性要求很高的行业，如电脑、通信、军事、航空等，故对形成金属层所使用的金属有一定的限制。而GaAs和InP衬底的半绝缘性质及化学计量法是挑选金属时的附加考虑因素。由于离子注入的最大掺杂浓度为3×1018 cm-3，故不能用金属与高度掺杂的半导体（＞3×1019 cm-3）形成欧姆接触。这个限制促使人们在GaAs及InP芯片中采用合金作为接触和连接材料。在制作N型GaAs欧姆接触时采用金与锗形成的低共熔混合物。所以第一、第二层金属必须和金锗欧姆接触相容，因此有许多金基合金系统得到应用。基于金的金属化工艺和半绝缘衬底及多层布线系统的组合有一个优点，即芯片上传输线和电感有更高的Q值。在大部分GaAs IC工艺中有一个标准的步骤：即把第一层金属布线与形成肖特基势垒和栅极形成结合起来。实际上，多层布线系统如Ti/Pt/Au或Ti/Pd/Au同时被用于肖特基势垒。

金属硅化物具有类似于金属的电阻率、化学稳定性、耐高温性，故在制作低阻栅极、导线、欧姆接触及肖特基势垒接触中引起了人们的关注。铂、钯、钼、钛、钽、钨的硅化物正被研究用于制作基本门单元及VLSI电路连线。金属层数也是工艺中的一个重要特性。在IC技术发展的早期，采用的是单层布线，故网络的交叉线问题很难解决。现在几乎所有的IC技术都采用至少2层金属，交叉线不再成为问题。不过，很多的VLSI工艺中采用3～4层金属，其目的是提高晶体管的密度，提高自动布线的程度。多层金属布线在芯片内部构成了“立交桥”式的结构。

对所有的FET技术而言，接触孔和栅极电极的连接是重要的。为了在减少栅长的同时减少栅极电阻，一些技术中采用了蘑菇型或称T型栅。

第一层金属主要用于器件本身的接触点及器件间的部分连线，这层金属通常较薄，较窄，间距较小。第二层金属主要用于器件间及器件与焊盘间的互联，并形成传输线。寄生电容大部分由两层金属及其间的隔离层形成。一些VLSI工艺中使用3层以上的金属，最上面一层通常用于供电及形成牢固的接地。其他较高的几层用于提高密度及方便自动化布线。

对于电路设计者而言，布线的工艺包含合理使用金属层，减少寄生电容或在可能的情况下合理利用寄生电容等。