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1、第七章 金属化,7.1 引 言,金属化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艺集成。,金属化连接,接触孔,芯片金属化技术术语 1. 互连指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用以传输电信号 2. 接触是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表面的连接 3. 通孔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 4. 填充薄膜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。,现代集成电路对金属膜的要求 1. 电阻率低：能传导高电流密度 2. 粘附性好
2、：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 3. 易于淀积：容易成膜 4. 易于图形化：对下层衬底有很高的选择比，易于平坦化 5. 可靠性高：延展性好、抗电迁徙能力强 6. 抗腐蚀性能好 7. 应力低：机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属线断裂、空洞。,集成电路金属化技术常用的金属种类 铝 铝铜合金 铜 阻挡层金属 硅化物 金属填充塞,集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率,金属化工艺 物理气相淀积（PVD） 化学气相淀积（CVD） 金属淀积系统 1. 蒸发 2. 溅射 3. 金属CVD 4. 铜电镀,铝 铝的优点 1. 电阻率低（2.65cm） 2. 与硅和二氧化硅的粘
3、附性好 3. 与高掺杂的硅和多晶硅有很好的欧姆接触（合金化温度450500） 4. 易于淀积成膜 5. 易于光刻和刻蚀形成微引线图形,7.2 金属化技术,6. 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（Al2O3） 7. 铝的成本低 铝的缺点 1. 纯铝与硅的合金化接触易产生PN结的穿通现象 2. 会出现电迁徙现象,结穿通现象在纯铝和硅的界面加热合金化过程中（通常450500） ，硅将开始溶解在铝中直到它在铝中的浓度达到0.5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PN穿通现象的发生。结穿通引起PN结短路。,解决结穿刺问题的方法： 1. 采用铝硅（1
4、2%）合金或铝硅（12%）铜（24%）合金替代纯铝； 2. 引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。,控制纯铝电迁徙现象的办法是采用铝铜（0.54%）合金替代纯铝,电迁徙现象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。 电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近的金属线短路。 纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发生电迁徙现象。,电迁徙现象的SEM照片,电迁徙,铜 在深亚微米IC制造中， RC延迟是一个突出问题 随着集成电路的集成度不断提高、关键尺寸不断减小、电路性能不断增强，在现代先进的IC制造技术中采用了铜互连技术。在深亚
5、微米技术中铜互连将取代铝互连，一个重要的原因就是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RC延迟提高电路速度。,先进的45nm工艺的集成电路中互连线最细线宽45nm，而互连总长度达到5公里量级！,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。,铜的优点 1. 电阻率更低（1.678cm）使相同线宽传导的 电流大 2. 降低动态功耗：由于RC延迟减小 3. 更高的集成度：由于线宽减小 4. 可靠性高：有良好的抗电迁徙性能 5. 更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少2030 6. 易于淀积（铜CVD、电镀铜） 7. 铜的成本低,铜的缺点 1. 不能干法刻蚀铜
6、2. 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 3. 抗腐蚀性能差，在低于200的空气中不断被氧化 克服铜缺点的措施 1. 采用大马士革工艺回避干法刻蚀铜 2. 用金属钨做第一层金属解决了电路底层器件的铜沾污,大马士革工艺 大马士革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，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。,传统Al布线工艺与大马士革Cu工艺的差别,传统布线工艺 与双大马士革工艺的差别,双大马士革铜金属化工艺流程,阻挡层金属 阻挡层金属的作用 1. 提高欧姆接触的可靠性； 2. 消除浅结材料扩散或结尖刺；
7、 3. 阻挡金属的扩散（如铜扩散） 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 1. TiTiN 2. TaTaN（主要用于铜布线）,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 1. 降低接触电阻 2. 作为金属与Si接触的粘合剂。,硅化物的基本特性 1. 电阻率低 （Ti：60 cm ， TiSi2 ：1317cm ） 2. 高温稳定性好，抗电
8、迁徙性能好 3. 与硅栅工艺的兼容性好 常用的硅化物 1. 硅化钛TiSi2 2. 硅化钴CoSi2 （0.25um及以下）,CMOS结构的硅化物,自对准金属硅化物的形成,金属填充塞,0.18m STI 硅化钴 6层金属IC的逻辑器件,7.3 金属淀积系统,金属淀积系统： 1. 蒸发 2. 溅射 3. 金属CVD 4. 铜电镀 半导体传统金属化工艺物理气相淀积（PVD） SSI、MSI蒸发 LSI以上溅射,蒸发是在高真空中，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。 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。 成膜材料的加热方式：蒸发器分为电阻加热、电子束加热、
9、高频感应加热等三种。在蒸发工艺中，本底真空通常低于 106Torr。,金属淀积系统蒸发,简单的蒸发系统,电子束蒸发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。 在蒸发技术中，电子束蒸发占主流。,电子束蒸发系统的组成： 1. 高压电源系统 2. 真空系统 3. 电子加速聚焦偏转系统 4. 工艺腔 5. 水冷坩锅系统（通常为带旋转的四坩锅） 6. 载片架,电子束蒸发系统,电子束蒸发系统,电子束蒸发过程 电子束蒸发的3个基本步骤： 1. 在高真空腔中，电子枪发射的电子经加速获得足够的动能
10、并聚焦形成电子束。 2. 电子束经磁场偏转，向成膜材料轰击加热并使之蒸发 3. 成膜材料蒸发出的原子或分子在高真空环境下的平均自由程增加，并以直线运动形式撞到硅片表面凝结形成薄膜。,蒸发的优点： 1. 金属膜淀积速率高，常用于功率器件的厚金属化 电极（厚度达到5.0m） 蒸发的缺点： 1. 台阶覆盖能力差 2. 不能淀积金属合金 正因为第一个缺点，在大规模集成电路制造中，蒸发被溅射所替代。,溅射是在高真空下，利用高能粒子撞击具有高纯度的靶材料表面，撞击出的原子最后淀积在硅片上的物理过程。 在溅射工艺中，本底真空通常低于107Torr，工作真空通常为103Torr左右。高能粒子通常选用惰性气体氩
11、Ar离子，氩离子不与其它物质发生化学反应。 溅射的工艺目的：同蒸发,金属淀积系统溅射,溅射过程 溅射有6个基本步骤： 1. 在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有负 电势的靶材料加速。 2. 在加速中离子获得动能，并轰击靶。 3. 离子通过物理过程从靶表面撞击出（溅射）原子。,4. 被撞击出（溅射）的原子迁移到硅表面。 5. 被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成膜。薄膜具 有与靶相同的材料组分。 6. 多余粒子由真空泵抽走。,溅射过程,溅射过程,溅射离子的能量范围 0.5KEV5.0KEV 能量太小轰击不出来靶材料原子，能量太大产生氩离子注入现象。 溅射率（溅射产额）每个入射离子轰击出的靶原子
12、数 影响溅射率的因素 1. 轰击离子的入射角 2. 靶材料的组分和它的几何因素 3. 轰击离子的质量 4. 轰击离子的能量,溅射的优点： 1. 台阶覆盖能力好 2. 能淀积金属合金（成膜组分与靶材组分相同） 溅射的缺点： 1. 溅射速率低,溅射系统分类 1. RF（射频）溅射系统 2. 磁控溅射系统 3. IMP（离子化的金属等离子体）系统 RF（射频）溅射系统缺点：溅射速率低。 磁控溅射系统是现代集成电路制造最广泛应用的溅射系统。 IMP的优点：填充高深宽比的通孔和狭窄沟道能力强，满足深亚0.25m的应用。,RF（射频）溅射系统,磁控溅射是一种高密度等离子体溅射，是利用靶表面附近的正交电磁场
13、使电子平行靶表面做回旋运动，从而大大增加了与氩原子的碰撞几率，显著地提高了等离子体区的Ar离子密度，使溅射速率成倍增加。 在溅射技术中，磁控溅射占主流。,蒸发和溅射的比较,钨CVD 气源：WF6 淀积方法：LPCVD 铜CVD：制作种子层50100nm,金属淀积系统CVD,WF6 + 3 H2 W + 6 HF,金属淀积系统铜电镀,金属淀积系统,本章习题,书中第12章：6、11、13、34,1、3、21、22,1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。20.8.1820.8.18Tuesday, August 18, 2020 2、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。05:02:0705:0
14、2:0705:028/18/2020 5:02:07 AM 3、越是没有本领的就越加自命不凡。20.8.1805:02:0705:02Aug-2018-Aug-20 4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。05:02:0705:02:0705:02Tuesday, August 18, 2020 5、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。20.8.1820.8.1805:02:0705:02:07August 18, 2020 6、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2020年8月18日星期二上午5时2分7秒05:02:0720.8.18 7、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2
15、020年8月上午5时2分20.8.1805:02August 18, 2020 8、业余生活要有意义，不要越轨。2020年8月18日星期二5时2分7秒05:02:0718 August 2020 9、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。上午5时2分7秒上午5时2分05:02:0720.8.18 10、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。8/18/2020 5:02:07 AM05:02:072020/8/18 11、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。8/18/2020 5:02 AM8/18/2020 5:02 AM20.8.1820.8.18 12、这一秒不放弃，下一秒就会有希望。18-Aug-2018 August 202020.8.18 13、无论才能知识多么卓著，如果缺乏热情，则无异纸上画饼充饥，无补于事。Tuesday, August 18, 202018-Aug-2020.8.18 14、我只是自己不放过自己而已，现在我不会再逼自己眷恋了。20.8.1805:02:0718 August 202005:02,谢谢大家,
