《电子科大微电子工艺(第七章)金属化剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子科大微电子工艺(第七章)金属化剖析（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章第七章 金属化金属化 7.1 7.1 引引 言言 金属化金属化是芯片制造过程中在绝缘介质膜上淀积金属是芯片制造过程中在绝缘介质膜上淀积金属 膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和集成电膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和集成电 路的孔填充塞的过程。金属化是化学气相淀积、溅路的孔填充塞的过程。金属化是化学气相淀积、溅 射、光刻、刻蚀、化学机械平坦化等单项工艺的工射、光刻、刻蚀、化学机械平坦化等单项工艺的工 艺集成。艺集成。 金属化连接 接触孔 n n 芯片金属化技术术语芯片金属化技术术语 1. 1. 互连互连指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用以指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用以
2、 传输电信号传输电信号 2. 2. 接触接触是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表 面的连接面的连接 3. 3. 通孔通孔是穿过各层介质层从某一金属层到相邻的另一是穿过各层介质层从某一金属层到相邻的另一 金属层形成电通路的开口金属层形成电通路的开口 4. 4. 填充薄膜填充薄膜是指金属薄膜填充通孔以便在两层金属层是指金属薄膜填充通孔以便在两层金属层 之间形成电连接。之间形成电连接。 n n 现代集成电路对金属膜的要求现代集成电路对金属膜的要求 1. 1. 电阻率低：电阻率低：能传导高电流密度能传导高电流密度 2. 2. 粘附性好：粘附性好：能够粘附下层
3、衬底实现很好的电连接，能够粘附下层衬底实现很好的电连接， 半导体与金属连接时接触电阻低半导体与金属连接时接触电阻低 3. 3. 易于淀积：易于淀积：容易成膜容易成膜 4. 4. 易于图形化：易于图形化：对下层衬底有很高的选择比，易于平对下层衬底有很高的选择比，易于平 坦化坦化 5. 5. 可靠性高：可靠性高：延展性好、抗电迁徙能力强延展性好、抗电迁徙能力强 6. 6. 抗腐蚀性能好抗腐蚀性能好 7. 7. 应力低：应力低：机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属线机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属线 断裂、空洞。断裂、空洞。 n n 集成电路金属化技术常用的金属种类集成电路金属化技术常用的金属种类
4、铝铝 铝铜合金铝铜合金 铜铜 阻挡层金属阻挡层金属 硅化物硅化物 金属填充塞金属填充塞 n n 集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率 n n 金属化工艺金属化工艺 物理气相淀积（物理气相淀积（PVDPVD） 化学气相淀积（化学气相淀积（CVDCVD） n n 金属淀积系统金属淀积系统 1. 1. 蒸发蒸发 2. 2. 溅射溅射 3. 3. 金属金属CVDCVD 4. 4. 铜电镀铜电镀 n n 铝铝 n n 铝的优点铝的优点 1. 1. 电阻率低（电阻率低（2.652.65 cmcm） 2. 2. 与硅和二氧化硅的粘附性好与硅和二氧化硅的粘附性好 3
5、. 3. 与高掺杂的硅和多晶硅有很好的欧姆接触（合金化与高掺杂的硅和多晶硅有很好的欧姆接触（合金化 温度温度450450500500） 4. 4. 易于淀积成膜易于淀积成膜 5. 5. 易于光刻和刻蚀形成微引线图形易于光刻和刻蚀形成微引线图形 7.2 7.2 金属化技术金属化技术 6. 6. 抗腐蚀性能好，因为铝表面总是有一层抗腐蚀性抗腐蚀性能好，因为铝表面总是有一层抗腐蚀性 好的氧化层（好的氧化层（AlAl 2 2 OO 3 3 ） 7. 7. 铝的成本低铝的成本低 n n 铝的缺点铝的缺点 1. 1. 纯铝与硅的合金化接触易产生纯铝与硅的合金化接触易产生PNPN结的结的穿通现象穿通现象 2
6、. 2. 会出现会出现电迁徙现象电迁徙现象 n n 结穿通现象结穿通现象在纯铝和硅的界面加热合金化过程中（在纯铝和硅的界面加热合金化过程中（ 通常通常450450500500） ，硅将开始溶解在铝中直到它在，硅将开始溶解在铝中直到它在 铝中的浓度达到铝中的浓度达到0.50.5为止，硅在铝中的溶解消耗硅为止，硅在铝中的溶解消耗硅 且由于硅界面的情况不同，就在硅中形成空洞造成且由于硅界面的情况不同，就在硅中形成空洞造成 PNPN穿通现象的发生。结穿通引起穿通现象的发生。结穿通引起PNPN结短路。结短路。 n n 解决结穿刺问题的方法：解决结穿刺问题的方法： 1. 1. 采用采用铝硅（铝硅（12%1
7、2%）合金或铝）合金或铝硅（硅（12%12%） 铜（铜（24%24%）合金替代纯铝；）合金替代纯铝； 2. 2. 引入引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。阻挡层金属化以抑制硅扩散。 n n 控制纯铝电迁徙现象的办法是采用控制纯铝电迁徙现象的办法是采用铝铜（铝铜（0.54%0.54% ）合金替代纯铝）合金替代纯铝 n n 电迁徙现象电迁徙现象当金属线流过大电流密度的电流时，当金属线流过大电流密度的电流时， 电子和金属原子的碰撞引起金属原子的移动导致电子和金属原子的碰撞引起金属原子的移动导致 金属原子的消耗和堆积现象的发生，这种现象称金属原子的消耗和堆积现象的发生，这种现象称 为电迁徙现象。为电迁徙现象
8、。 电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近的电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近的 金属线短路。金属线短路。 纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发生纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发生 电迁徙现象。电迁徙现象。 n n 电迁徙现象的电迁徙现象的SEMSEM照片照片 电迁徙 n n 铜铜 n n 在深亚微米在深亚微米ICIC制造中，制造中， RCRC延迟是一个突出问题延迟是一个突出问题 随着集成电路的集成度不断提高、关键尺寸不断减随着集成电路的集成度不断提高、关键尺寸不断减 小、电路性能不断增强，在现代先进的小、电路性能不断增强，在现代先进的ICIC制造技术制造技术 中采用了铜互连技术。在深亚微
9、米技术中铜互连将中采用了铜互连技术。在深亚微米技术中铜互连将 取代铝互连，一个重要的原因就是取代铝互连，一个重要的原因就是减小金属线的寄减小金属线的寄 生电阻和相邻金属线间的寄生电容以减小生电阻和相邻金属线间的寄生电容以减小RCRC延迟延迟 提高电路速度。提高电路速度。 n n 先进的先进的45nm45nm工艺的集成电路中互连线最细线宽工艺的集成电路中互连线最细线宽 45nm45nm，而互连总长度达到，而互连总长度达到5 5公里量级！公里量级！ n n 电路中互连引入的延迟超过了器件延迟，互连成电路中互连引入的延迟超过了器件延迟，互连成 了限制集成电路速度的主要因素。了限制集成电路速度的主要因
10、素。 n n 铜的优点铜的优点 1. 1. 电阻率更低（电阻率更低（1.6781.678 cmcm）使相同线宽传导的）使相同线宽传导的 电流大电流大 2. 2. 降低动态功耗：由于降低动态功耗：由于RCRC延迟减小延迟减小 3. 3. 更高的集成度：由于线宽减小更高的集成度：由于线宽减小 4. 4. 可靠性高：有良好的抗电迁徙性能可靠性高：有良好的抗电迁徙性能 5. 5. 更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少2020 3030 6. 6. 易于淀积（铜易于淀积（铜CVDCVD、电镀铜）、电镀铜） 7. 7. 铜的成本低铜的成本低 n n 铜的缺点铜的缺点
11、 1. 1. 不能干法刻蚀铜不能干法刻蚀铜 2. 2. 铜在硅和二氧化硅中扩散很快，芯片中的铜杂质沾铜在硅和二氧化硅中扩散很快，芯片中的铜杂质沾 污使电路性能变坏污使电路性能变坏 3. 3. 抗腐蚀性能差，在低于抗腐蚀性能差，在低于200200的空气中不断被氧化的空气中不断被氧化 n n 克服铜缺点的措施克服铜缺点的措施 1. 1. 采用采用大马士革工艺大马士革工艺回避干法刻蚀铜回避干法刻蚀铜 2. 2. 用用金属钨做第一层金属金属钨做第一层金属解决了电路底层器件的铜沾解决了电路底层器件的铜沾 污污 n n 大马士革工艺大马士革工艺 n n 大马士革是叙利亚的一个城市名，早期大马士革的大马士革
12、是叙利亚的一个城市名，早期大马士革的 一位艺术家发明了在金银首饰上镶嵌珠宝的工艺，一位艺术家发明了在金银首饰上镶嵌珠宝的工艺， 该工艺被命名为大马士革。集成电路的铜布线技术该工艺被命名为大马士革。集成电路的铜布线技术 和大马士革工艺相似。和大马士革工艺相似。 n n 传统传统AlAl布线工艺与大马士革布线工艺与大马士革CuCu工艺的差别工艺的差别 n n 传统布线工艺传统布线工艺 与双大马士革工艺的差别与双大马士革工艺的差别 n n 双大马士革铜金属化工艺流程双大马士革铜金属化工艺流程 n n 阻挡层金属阻挡层金属 阻挡层金属的作用阻挡层金属的作用 1. 提高欧姆接触的可靠性； 2. 消除浅结
13、材料扩散或结尖刺； 3. 阻挡金属的扩散（如铜扩散） 阻挡层金属的基本特性阻挡层金属的基本特性 1. 有很好的阻挡扩散特性 2. 低电阻率具有很低的欧姆接触电阻 3. 与半导体和金属的粘附性好，接触良好 4. 抗电迁徙 5. 膜很薄且高温下稳定性好 6. 抗腐蚀和氧化 常用的阻挡层金属常用的阻挡层金属 1. TiTiN 2. TaTaN（主要用于铜布线） n n 硅化物硅化物 硅化物是在高温下难熔金属（通常是钛Ti、钴Co ）与硅反应形成的金属化合物（如TiSi2、CoSi2 ） 硅化物的作用硅化物的作用 1. 降低接触电阻 2. 作为金属与Si接触的粘合剂。 n n 硅化物的基本特性硅化物的
14、基本特性 1. 电阻率低 （Ti：60 cmcm ， TiSi2 ：1317 cmcm ） 2. 高温稳定性好，抗电迁徙性能好 3. 与硅栅工艺的兼容性好 n n 常用的硅化物常用的硅化物 1. 硅化钛TiSi2 2. 硅化钴CoSi2 （0.25um及以下） n n CMOSCMOS结构的硅化物结构的硅化物 n n 自对准金属硅化物的形成自对准金属硅化物的形成 n n 金属填充塞金属填充塞 n0.18m STI 硅化钴 6层金属IC的逻辑器件 7.3 7.3 金属淀积系统金属淀积系统 n n 金属淀积系统金属淀积系统： 1. 1. 蒸发蒸发 2. 2. 溅射溅射 3. 3. 金属金属CVDC
15、VD 4. 4. 铜电镀铜电镀 n n 半导体传统金属化工艺半导体传统金属化工艺物理气相淀积（物理气相淀积（PVDPVD） n n SSISSI、MSIMSI蒸发蒸发 n n LSILSI以上以上溅射溅射 n n 蒸发蒸发是在高真空中，把固体成膜材料加热并使之变是在高真空中，把固体成膜材料加热并使之变 成气态原子淀积到硅片上的物理过程。成气态原子淀积到硅片上的物理过程。 n n 蒸发的工艺目的蒸发的工艺目的 在硅片上淀积金属膜以形成金属化电极结构。在硅片上淀积金属膜以形成金属化电极结构。 n n 成膜材料的加热方式成膜材料的加热方式：蒸发器分为电阻加热、电子：蒸发器分为电阻加热、电子 束加热、
16、高频感应加热等三种。在蒸发工艺中，本束加热、高频感应加热等三种。在蒸发工艺中，本 底真空通常低于底真空通常低于 1010 6 6Torr Torr。 金属淀积系统金属淀积系统蒸发蒸发 n n 简单的蒸发系统简单的蒸发系统 机械泵 Roughing pump Hi-Vac valve高真空阀 高真空泵 Hi-Vac pump Process chamber 工艺腔（钟罩)Crucible 坩锅 Evaporating metal蒸发金属 Wafer carrier 载片台 n n 电子束蒸发电子束蒸发是电子束加热方式的蒸发，是在高真是电子束加热方式的蒸发，是在高真 空中，电子枪发出电子经系统加速聚焦形成电子空中，电子枪发出电子经系统加速聚焦形成电子 束、再经磁场偏转打到坩锅的成膜材料上加热，束、再经磁场偏转打到坩锅的成膜材料上加热， 并使之变成气态原子淀积到硅片上的物理过程。并使之变
