CN1138217A - 高电迁徒阻力的多层金属化结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种高电迁徙阻力的多层金属化结构及其设计方法属于VLSI，ULSI及微波器件金属化结构的制造技术领域，其特征在于：在离SiO₂绝缘层欧姆接触窗口的一个回流长度处在底层导电层Al-1％Si上开有一个尽可能小的缝隙，并给出了临界回流长度的计算公式。它利用了与电迁徙现象同时共存的回流效应来彻底消除电迁徙现象，以便从根本上解决多层金属化结构的电迁徙失效问题，从而提高了VLSI，ULSI及微波器件的寿命。

Description

高电迁徙阻力的多层金属化结构及其设计方法

一种高电迁徙阻力的金属化结构及其设计方法属于VLSI，ULSI及微波器件中多层金属化结构的制造技术领域。

当前，微电子器件的特征尺寸已进入亚微米阶段，在高电流应力作用下，金属薄膜中金属离子沿导体输送的这一个电迁徙现象已成为其金属化结构电迁徙失效的一个突出问题。为此，一般采用多层金属化结构来解决金属—半导体互扩散问题，即先在金属—半导体之间加一个扩散阻挡层以抑制金属和半导体间的热电扩散；为了提高阻挡层金属与衬底间的粘附性又需加入粘附层；此外，在接触窗口处一般还要有欧姆接触层，于是形成了多层金属化结构。通常用Al-1％Si作导电层，Ti-W-Ti或Ti-TiN-Ti作阻挡层，其纵剖视图见图1，也有用Pt-TiN-Pt的，但成本太高。这种结构只能缓解纵向和横向电迁徙现象而不能达到完全消除电迁徙现象所引起的VLSI，VLSI及微波器件金属化结构的失效。

本发明注意到：在电迁徙的同时还伴随着一种回流现象，根据这种回流效应提出了一种全新的回流加固结构，它可从根本上抑制电迁徙现象的发生。电迁徙是金属离子在电子风作用下由于动量转换而产生的一种金属薄膜中金属离子沿导体的输送现象，其结果是阳极金属离子的堆积和阴极金属离子的耗尽从而导致器件失效。但与此同时，阳极金属离子的堆积会产生一个反向于电迁徙方向的压应力，它又会引起堆积的金属离子反向扩散去抵消由于电迁徙而产生的离子流，这种反向的离子流即为回流。只要在底层导电层Al-1％Si上离欧姆接触窗口的适当位置开一个尽可能小的缝隙使正向电迁徙流和回流互相抵消使净离子为零即可完全抑制电迁徙现象的发生，彻底解决电迁徙失效问题。

由此可见，本发明的目的就在于提供一个可彻底解决电迁徙失效问题的高电迁徙阻力的多层金属化结构及其设计方法。

本发明的特征在于：在离SiO₂绝缘层上欧姆接触窗口的一个回流长度L_BF处在底层导电层Al-1％Si上开有一处尽可能小的缝隙。上述回流长度L_BF的临界值L_BFO为： $L_{\mathrm{BFO}}=\mathrm{\γ\Ω}(\frac{\mathrm{\μ}}{{\mathrm{ez}}^{*}\mathrm{\ρ}}{)}^{(n-1)/n}(\frac{\mathrm{\δJ}}{{A_3}^{\′\′}{g}^{z}b}\·\frac{D_{\mathrm{gb}}}{D_1}{)}^{1/n}$ 其中：

ez^*：有效离子电荷；

μ：切变模量；

ρ：薄膜材料电阻率；

g：晶粒尺寸；

Ω：原子体积；

b：伯格斯矢量

J：离子流密度

δ：平均晶粒边界宽度；

D_gb：晶粒边界自扩散系数；

γ：常数；

A₃″，n：常数；

D₁：晶格自扩散系数。实验证明：该结构达到了本发明提出的预期目的。

为了在下面结合实施例对本发明作进一步描述，现把本申请文件所使用的附图编号及名称简介如下：

图1：现有的多层金属化结构的纵剖视图；

图2：本发明提出的多层金属化结构的纵剖视图。

实施例：

现以Ti-W-Ti作阻挡层来说明本发明提出的多层金属化结构的制作方法：

1、在P-Si衬底上n⁺区作欧姆接触窗口，同时完成SiO₂绝缘层；

2、多层金属化沉积：

    (1)磁控溅射或电子束蒸发Al-1％Si底层导电层(5000埃)；

    (2)在距离欧姆接触窗口L_BFO＝20μm处用光刻法开一个2～3μm宽的缝隙；

    (3)连续溅射Ti-W-Ti三层金属化层，其厚度比为200埃∶2000埃∶200埃；

    (4)磁控式溅射或电子束蒸发上层导电层Al-1％Si层(5000埃)；

3、光刻或等离子刻蚀作n⁺区金属化隔离；

4、钝化并刻出压焊点。

在图1～2中：1是P-Si衬底，也可以是n-Si衬底；2是欧姆接触窗口；3是Al-1％Si层；4是Ti-W-Ti层(也可以是Ti-TiN-Ti或Pt-W-Pt层)5是SiO₂绝缘层；6是缝隙。

阻挡层也可用Ti-TiN-Ti，工艺同上。当金属化条长较长时可采用多缝隙结构。

以Ti-W-Ti作阻挡层时其实验结果如下：

1、电流斜坡对比试验：回流加固结构比普通结构的电流密度耐力大0.5×10⁶A/cm²。在10⁵A/cm²工作电流密度下，加固结构的寿命比普通结构大一个数量级。

2、频率斜坡对比试验：在100KHZ处，回流加固结构比普通结构的寿命大一倍，而且其寿命随脉冲频率的上升而增大；

3、温度斜坡对比试验：回流加固结构的温度耐力比普通结构大30℃。

4、反向电流密度下的对比试验：回流加固结构的峰值温度比普通结构低42℃。

若以Ti-TiN-Ti作阻挡层，则：

1、其电流密度耐力比普通结构大10⁵A/cm²。在10⁵A/cm²工作电流密度下，它比普通结构大一个数量级以上；

2、在100KHZ处，它比普通结构在寿命上大一倍以上，而且其寿命随频率的上升而提高。

3、它的温度耐力比普通结构大40℃以上；

4、它的峰值温度比普通结构约低50℃。

若以Pt-TiN-Pt作阻挡层，其效果与Ti-TiN-Ti阻挡层相当近似。

Claims (2)

1、一种高电迁徙阻力的多层金属化结构，含有P-Si或n-Si衬底以及依次位于其上的SiO₂绝缘层、Al-1％Si底层导电层、Ti-W-Ti或Ti-TiN-Ti阻挡层和Al-1％Si上层导电层，其特征在于：在离SiO₂绝缘层欧姆接触窗口的一个回流长度L_BF处在底层导电层Al-1％Si上开有一个尽可能小的缝隙。

2、根据权利要求1所提出的一种高电迁徙阻力的多层金属化结构而提出的设计方法，其特征在于：所述的回流L_BF的临界值L_BFO为： $L_{\mathrm{BFO}}=\mathrm{\γ\Ω}(\frac{\mathrm{\μ}}{{\mathrm{ez}}^{*}\mathrm{\ρ}}{)}^{(n-1)/n}(\frac{\mathrm{\δJ}}{{A_3}^{\′\′}{g}^{z}b}\·\frac{D_{\mathrm{gb}}}{D_1}{)}^{1/n}$ 其中：

ez^*：有效离子电荷；

μ：切变模量；

ρ：薄膜材料电阻率；

g：晶粒尺寸；

Ω：原子体积；

b：伯格斯矢量

J：离子流密度

δ：平均晶粒边界宽度；

D_gb：晶粒边界自扩散系数；

γ：常数；

A₃″，n：常数；

D₁：晶格自扩散系数。