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1、电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda金属化电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda概 述金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜 上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线和 集成电路的孔填充塞的过程。金属线被夹在两 个绝缘介质层中间形成电整体。高性能的微处 理器用金属线在一个芯片上连接几千万个器件 ，随着互连复查性的相应增加，预计将来每个 芯片上晶体管的密度将达到10亿个。由于ULSI组件密度的增加，互连电阻和寄生 电容也会随之增加，从而降低了信号的传播速 度。减小互连电阻
2、可通过用铜取代铝作为基本 的导电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要 低K值层间介质（ILD）。通过降低介电常数来 减少寄生电容。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda目 标通过本章学习，将能够： 1. 解释金属化； 2. 列出并描述在芯片制造中的6种金属，讨论它们 的性能要求并给出每种金属的应用； 3. 解释在芯片制造过程中使用金属化的优点，描 述应用铜的挑战； 4. 叙述溅射的优点和缺点； 5. 描述溅射的物理过程，讨论不同的溅射工具及 其应用； 6. 描述金属CVD的优点和应用； 7. 解释铜电镀的基础； 8. 描述双大马士革
3、法的工艺流程。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda引 言芯片金属化是应用化学或物理处理方法在芯 片上淀积导电金属膜的过程。这一过程与介质的 淀积紧密相关，金属线在IC电路中传输信号，介 质层则保证信号不受邻近金属线的影响。金属化对不同金属连接有专门的术语名称。 互连（interconnect）意指由导电材料（铝、多晶 硅或铜）制成的连线将信号传输到芯片的不同部 分。互连也被用做芯片上器件和整个封装之间普 通的金属连接。接触（contact）意指硅芯片内的 器件与第一层金属之间在硅表面的连接。通孔（ via）是穿过各种介质层从某一
4、金属层到毗邻的另 一金属层之间形成电通路的开口。“填充薄膜”是 指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属层之间形 成电连接。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda多层金属化层间介质金属互连结构在硅中扩散 的有源区亚0.25m CMOS 剖面具有钨塞的通孔互连结构复合金属互连局部互连（钨）初始金属接触Figure 12.1电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 层间介质（ILD）是绝缘材料，它分离了金 属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被光 刻成图形、刻蚀以便为各金属层之间
5、形成通 路。用金属（通常是钨 W）填充通孔，形成 通孔填充薄膜。在一个芯片上有许多通孔， 据估计，一个300mm2单层芯片上的通孔数达 到一千亿个。在一层ILD中制造通孔的工艺 ，在芯片上的每一层都被重复。 金属化正处在一个过渡时期，随着铜冶金术 的介入正经历着快速变化以取代铝合金。这 种变化源于刻蚀铜很困难，为了克服这个问 题，铜冶金术应用双大马士革法处理，以形 成通孔和铜互连。这种金属化过程与传统金 属化过程相反（见下图）。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda传统和大马士革金属化比较传统互连流程氧化硅通孔2刻蚀 钨淀积 +
6、CMP金属2淀积 + 刻蚀覆盖 ILD 层和 CMP双大马士革流程覆盖 ILD 层和 CMP氮化硅刻蚀终止层(光刻和刻蚀)第二层 ILD 淀积和穿过 两层氧化硅刻蚀铜填充铜CMP Figure 12.2电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda铜金属化Photo 12.1电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda以提高性能为目的，用于芯片互连的金属和金 属合金的类型正在发展，对一种成功的金属材料 的要求是：1. 导电率: 要求高导电率，能够传道高电流密度。2. 黏附性：能够黏
7、附下层衬底，容易与外电路实现电连接3. 淀积：易于淀积经相对低温处理后具有均匀的结构和组分 刻印图形/平坦化：提供高分辨率的光刻图形5. 可靠性：经受温度循环变化，相对柔软且有好的延展性 抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，层与层以及下层器件区有最小的化学反应。 应力：很好的抗机械应力特性，以便减少硅片的扭曲和材料的失效。金属类型电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20C)Table 12.1电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda在硅片制
8、造业中 各种金属和金属合金可组成下列种类 铝 铝铜合金 铜 阻挡层金属 硅化物 金属填充塞电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda金 属 铝在半导体制造业中，最早的互连金属是铝 ，目前在VLSI以下的工艺中仍然是最普通的互 连金属。在21世纪制造高性能IC工艺中，铜互连 金属有望取代铝。然而，由于基本工艺中铝互连 金属的普遍性， 所以选择铝金属化的背景是有 益的。铝在20时具有2.65-cm的低电阻率，比 铜、金及银的电阻率稍高。然而铜和银都比较容 易腐蚀，在硅和二氧化硅中有高的扩散率，这些 都阻止它们被用于半导体制造。另一方面，铝
9、能 够很容易和二氧化硅反应，加热形成氧化铝（ AL2O3），这促进了氧化硅和铝之间的附着。还 有铝容易淀积在硅片上。基于这些原因。铝仍然 作为首先的金属应用于金属化。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda铝 互 连Figure 12.3电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda欧姆接触为了在金属和硅之间形成接触，可通 过加热完成。通常在惰性气体或还原的氢 气环境中，在400500进行，此过程也 被称为低温退火或烧结。在硅上加热烘烤 铝形成期望的电接触界面，被称为欧姆接 触
10、（有很低的电阻）。接触电阻与接触面 积成反比，在现代芯片设计中，欧姆接触 用特殊的难熔金属（以硅化物形式出现的 钛），在硅表面作为接触以减小电阻、增 强附着（见下图）。在某些特殊的芯片上有上亿个接触点 ，为了获得良好的电性能，一个可靠的具 有低电阻和牢固附着的界面是非常重要的 。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda欧姆接触结构Gate阻挡层金属欧姆接触铝、钨、铜等SourceDrainOxideFigure 12.4电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda结“穿通”：
11、在加热过程中，铝和硅之间易出现不希 望的反应，该反应导致接触金属和硅形成微合金， 这一过程被称为结“穿通”。当纯铝和硅界面加热时结 尖刺发生，并导致硅向铝中扩散。结尖刺的问题可 通过在铝中添加硅和阻挡层金属化两种方法解决。结短路浅结Figure 12.5电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda铝铜合金：由于铝的低电阻率及其与硅片制造工 艺的兼容性，因此被选择为IC的主要互连材料。 然而铝有众所周知的电迁徒引起的可靠性问题。 由于电迁徒，在金属表面金属原子堆起来形成小 丘（如图所示）如果大量的小丘形成，毗邻的连 线或两层之间的连线有可
12、能短接在一起。在ULIS 技术、高级电路的设计中，芯片温度会随着电流 密度而增加，两者都会使铝芯片金属化更易引起 电迁徒。小丘短接的两条金属线金属线中的空洞Figure 12.6电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian SerdaIC互连金属化引入铜的优点1. 电阻率的减小：在20时，互连金属线的电 阻率从铝的2.65 W-cm 减小到铜的1.678 W- cm ；减少RC的信号延迟，增加芯片速度。 2. 功耗的减少：减小了线的宽度，降低了功耗 。3. 更高的集成密度：更窄的线宽，允许更高密 度的电路集成，这意味着需要更少的金属层 。4. 良好
13、的抗电迁徒性能：铜不需要考虑电迁徒 问题。5. 更少的工艺步骤：用大马士革 方法处理铜具 有减少工艺步骤 20 to 30 %的潜力。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda与 0.25-m 器件比较互连延迟的变化Table 12.2电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda铝和铜之间特性和工艺的比较Table 12.3电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda对铜的挑战与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互 连主要
14、涉及三个方面的挑战，这些挑战明显不 同于铝技术，在铜应用与IC互连之前必须解决 ： 1. 铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有 源区，将会损坏器件。 2. 应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形 成图形。干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间 不产生挥发性的副产物，而这对于经济的干法 刻蚀是必不可少的。 3. 低温下（200）空气中，铜很快被氧化，而 且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda用于铜互连结构的阻挡层：提高欧姆接触可靠性更有效 的方法是用阻挡层金属化，这种方法可消除诸如浅结材 料刻蚀或结
15、尖刺的问题。阻挡层金属是淀积金属或金属 塞，作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其 厚度对0.25m工艺来说为100nm；对0.35m工艺来说 为400600nm。 阻挡层金属铜Figure 12.7电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda阻挡层金属在半导体工业中被广泛应用。为 了连接铝互连金属和硅源漏之间的钨填充薄膜接 触，阻挡层金属阻止了硅和钨互相进入接触点， 也阻止了钨和硅的扩散以及任何结尖刺。可接受 的阻挡层金属的基本特征：1. 有很好的阻挡扩散作用；2. 高导电率具有很低的欧姆接触电阻；3. 在半导体和金属之间有很好
16、的附着；4. 抗电迁徒；5. 在很薄的并且高温下具有很好的稳定性；6. 抗侵蚀和氧化。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这 种高扩散率将破坏器件的性能。传统的阻挡层金 属对铜来说阻挡作用不够，铜需要由一层薄膜阻 挡层完全封闭起来，这层封闭薄膜的作用是加固 附着并有效地阻止扩散。对铜来说对这个特殊的 阻挡层金属要求： 1. 阻止铜扩散； 2. 低薄膜电阻； 3. 对介质材料和铜都有很好的附着； 4. 与化学机械平坦化过程兼容； 5. 具有很好的台阶覆盖，填充高深宽比间隙的 金属层是连续、等角的； 6. 允许铜有很小的厚度，占据最大的横截面积 。电信学院微电子教研室半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽 、氮化钽和钽化硅（TaSiN）都是阻挡层金属的待选 材料，阻挡层厚度必须很薄（约75埃），以致它不 影响具有高深
