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1、第十章第十章 金属化与平坦化金属化与平坦化1概概 述述金属化金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上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集成电路的孔填充塞的过程。金属线被夹在金属线被夹在两个绝缘介质层中间形成电整体两个绝缘介质层中间形成电整体随着电子工业的迅速发展，工艺技术快速进随着电子工业的迅速发展，工艺技术快速进步，已达到极大规模集成电路（步，已达到极大规模集成电路（ULSI）阶段。阶段。而金属化（而金属化（Metallization）成为一个极为重成为一个极为重要的关键步骤要的关键步骤2互连金属
2、互连金属34在微电子工业硅晶集成电路中金属薄膜主要用于在微电子工业硅晶集成电路中金属薄膜主要用于1.欧姆接触（欧姆接触（OhmicContact）2.肖特基接触（肖特基接触（SchottkyBarrierContact）3.低阻栅电极（低阻栅电极（GateElectrode）4.器件间互联（器件间互联（interconnect）5对对ICIC金属化系统的主要要求金属化系统的主要要求 (1) (1) 低阻互连低阻互连(2) (2) 金属和半导体形成低阻接触金属和半导体形成低阻接触(3) (3) 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好(4) (4) 对台阶的覆盖好
3、对台阶的覆盖好(5) (5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象(6) (6) 易刻蚀易刻蚀(7) (7) 制备工艺简单制备工艺简单6金属化的金属化的几个术语几个术语接触（接触（contactcontact）：指硅芯片内的器件与第一层金属层指硅芯片内的器件与第一层金属层之间在硅表面的连接之间在硅表面的连接互连（互连（interconnectinterconnect）：由导电材料，由导电材料，( (如铝，多晶硅如铝，多晶硅或铜或铜) )制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分通孔（通孔（viavia）：）：通过各种介质层从某一金属
4、层到相邻的通过各种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另一金属层形成电通路的开口“填充薄膜填充薄膜”是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金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。属层之间形成电连接。层间介质（层间介质（ILDILD）是绝缘材料，它分离了金属之间的电是绝缘材料，它分离了金属之间的电连接。连接。ILDILD一旦被淀积，便被光刻成图形、刻蚀以便为一旦被淀积，便被光刻成图形、刻蚀以便为各金属层之间形成通路。用金属（通常是钨各金属层之间形成通路。用金属（通常是钨 W W）填充）填充通孔，形成通孔填充薄膜。通孔，形成通孔填充薄膜。7接触接触Early struct
5、ures were simple Al/Si contacts.早期结构是简单的早期结构是简单的AL/SiAL/Si接触接触8金属层和硅衬底形成什么接触？金属层和硅衬底形成什么接触？9 金属层和硅衬底的接触，既可以形成金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触，整流接触，也可以形成也可以形成欧姆接触，欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂主要取决于半导体的掺杂浓度及金半接触的势垒高度浓度及金半接触的势垒高度 Heavily doped N+ SimetalOhmic ContactN- Si metalSchottkyContact1010.1形成欧姆接触的方式形成欧姆接触的方式 高复合欧姆接触高复合
6、欧姆接触高掺杂欧姆接触高掺杂欧姆接触 Al/N-Si势垒高度势垒高度 0.7eV需高掺杂欧姆接触需高掺杂欧姆接触 半导体表面的半导体表面的晶体缺陷晶体缺陷和高复合中心和高复合中心杂质杂质在半导体表面耗尽区中在半导体表面耗尽区中起复合中心作用起复合中心作用q低势垒欧姆接触低势垒欧姆接触 一般一般金属和金属和P型半导体型半导体 的接触势垒较低的接触势垒较低Al/p-SiAl/p-Si势垒高度势垒高度 0.40.4eVeV111210.2合金化合金化 合金化的合金化的目的是目的是使接触孔中的使接触孔中的金属与硅金属与硅之间之间形成形成低阻欧姆接触低阻欧姆接触，并，并增加增加金属与二氧化硅之间的金属与
7、二氧化硅之间的附附着力着力在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金铝铝铝铜合金铝铜合金铜铜硅化物硅化物金属填充塞金属填充塞阻挡层金属阻挡层金属13硅和硅片制造业中所选择的金属硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20C)(at 20C)14金金属属铝铝在半导体制造业中，在半导体制造业中，最早的互连金属是铝最早的互连金属是铝，目前，目前在在VLSIVLSI以下的工艺中仍然是最普通的互连金属。以下的工艺中仍然是最普通的互连金属。铝铝在在2020时具有时具有2.652.65-cm-cm的的低电阻率，低电阻率，另一方另一方面，铝能够很容易和二氧化硅反应，加热形成
8、氧面，铝能够很容易和二氧化硅反应，加热形成氧化铝（化铝（AL2O3AL2O3），这），这促进了促进了氧化硅和铝之间的氧化硅和铝之间的附着附着。还有铝还有铝容易淀积容易淀积在硅片上。在硅片上。基于这些原因，铝仍基于这些原因，铝仍然作为首先的金属应用于金属化然作为首先的金属应用于金属化。铜、金及银的电阻率比铝稍低，可以减少信号的铜、金及银的电阻率比铝稍低，可以减少信号的延迟，提高芯片的工作速度。延迟，提高芯片的工作速度。然而然而铜和银都比较铜和银都比较容易腐蚀容易腐蚀，在硅和二氧化硅中有，在硅和二氧化硅中有高的扩散率高的扩散率，这，这些都些都阻止阻止它们它们被用于半导体制造被用于半导体制造。在。在
9、2121世纪制造世纪制造高性能高性能ICIC工艺中，工艺中，铜互连金属有望取代铝。铜互连金属有望取代铝。15铝互连铝互连16欧姆接触欧姆接触为了在为了在金属和硅金属和硅之间形成之间形成欧姆接触欧姆接触，可，可通过加热完成。（通常在惰性气体或还通过加热完成。（通常在惰性气体或还原的氢气环境中，在原的氢气环境中，在400500进行，进行，此过程也被称为此过程也被称为低温退火或烧结低温退火或烧结）欧姆接触用特殊的欧姆接触用特殊的难熔金属（难熔金属（以硅化物以硅化物形式出现的钛），在硅表面作为接触以形式出现的钛），在硅表面作为接触以减小电阻、增强附着（见下图）。减小电阻、增强附着（见下图）。17欧姆接
10、触结构欧姆接触结构Gate阻挡层金属欧姆接触铝、钨、铜等SourceDrainOxide在在300300o oC C以上，硅就以一定比例熔于铝中，在此温以上，硅就以一定比例熔于铝中，在此温度，恒温足够时间，就可在度，恒温足够时间，就可在Al-Al-SiSi界面形成一层很界面形成一层很薄的薄的Al-Al-SiSi合金。合金。AlAl通过通过Al-Al-SiSi合金和接触孔下的重合金和接触孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触掺杂半导体接触，形成欧姆接触Al-Al-SiSi系统一般合金温度为系统一般合金温度为450450o o500 500 18金属和硅接触的问题金属和硅接触的问题- - 尖峰现象尖
11、峰现象spiking problemsspiking problems硅不均匀溶解到硅不均匀溶解到Al中，并向中，并向Al中扩散，硅片中留下中扩散，硅片中留下空洞空洞 ,Al填充到孔洞填充到孔洞,引起短路引起短路19解决解决spikingspiking问题的方法问题的方法 一种方法是一种方法是在在AlAl中掺入中掺入1-2% 1-2% SiSi以满足溶解性以满足溶解性另一种方法是利用另一种方法是利用扩散阻挡层扩散阻挡层( ( Diffusion Barrier Diffusion Barrier ) )常用扩散阻挡层：常用扩散阻挡层：TiN,TiW较好的方法是采用阻挡层较好的方法是采用阻挡层,
12、 , Ti Ti 或或 TiSiTiSi2 2有好的接触和黏有好的接触和黏附性附性, ,TiN TiN 可作为阻挡层可作为阻挡层20电迁移电迁移(electromigration)现象现象电流携带的电子把动量转移给导电的金属电流携带的电子把动量转移给导电的金属原子，使其移动，金属形成空洞和小丘原子，使其移动，金属形成空洞和小丘小丘短接的两条金属线金属线中的空洞21由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因此被选择为因此被选择为ICIC的主要互连材料。然而的主要互连材料。然而铝铝有众所有众所周知周知的电迁徒引起的电迁徒引起的的可靠性问题可靠性问题。
13、由于电迁徒，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）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如果大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在一起。连线有可能短接在一起。当当少量少量百分比的百分比的铜与铝形成合金，铜与铝形成合金，铝的电迁移现铝的电迁移现象会被显著的改善。象会被显著的改善。Al-Si-Cu (0.5%)Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的合金是最常使用的连线金属连线金属铝铜合金铝铜合金22由于由于ULSIULSI组件密度的增加，组件密度的增加，互连电阻互连电阻和和寄生电容寄生电容也会随之增加，从而也
14、会随之增加，从而降低了信降低了信号的传播速度。号的传播速度。减小互连电阻减小互连电阻可通过用可通过用铜取代铝铜取代铝作为基作为基本的导电金属而实现。对于亚微米的线本的导电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要宽，需要低低K K值层间介质（值层间介质（ILDILD）。通过通过降低介电常数来减少寄生电容。降低介电常数来减少寄生电容。23ICIC互连金属化引入铜的优点互连金属化引入铜的优点1.1. 电电阻阻率率的的减减小小：互互连连金金属属线线的的电电阻阻率率减减小小可可以以减少信号的延迟，增加芯片速度。减少信号的延迟，增加芯片速度。2.2. 功耗的减少：功耗的减少：减小了线的宽度，降低了功耗。减小了线
15、的宽度，降低了功耗。3.3. 更更高高的的集集成成密密度度：更更窄窄的的线线宽宽，允允许许更更高高密密度度的电路集成，这意味着需要更少的金属层。的电路集成，这意味着需要更少的金属层。4.4. 良良好好的的抗抗电电迁迁徒徒性性能能：铜铜不不需需要要考考虑虑电电迁迁徒徒问问题。题。5.5. 更更少少的的工工艺艺步步骤骤：用用大大马马士士革革 方方法法处处理理铜铜具具有减少工艺步骤有减少工艺步骤 2020 to 30 %to 30 %的潜力。的潜力。 24对铜的挑战对铜的挑战 与与传传统统的的铝铝互互连连比比较较，用用铜铜作作为为半半导导体体互互连连主主要要涉涉及及三三个个方方面面的的挑挑战战，这这
16、些些挑挑战战明明显显不不同同于于铝铝技术，在铜应用与技术，在铜应用与ICIC互连之前必须解决：互连之前必须解决：1.1. 铜快速扩散进氧化硅和硅，铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有源一旦进入器件的有源区，将会损坏器件。区，将会损坏器件。 2.2. 应用常规的应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图形。图形。干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产干法刻蚀铜时，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。必不可少的。 3.3. 低温下（低温下（200200）空气中，）空气中，铜很快被氧
17、化铜很快被氧化，而，而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。 25用用于于铜铜互互连连结结构构的的阻阻挡挡层层：提提高高欧欧姆姆接接触触可可靠靠性性更更有有效效的的方方法法是是用用阻阻挡挡层层金金属属化化，这这种种方方法法可可消消除除诸诸如如浅浅结结材材料料刻刻蚀蚀或或结结尖尖刺刺的的问问题题。阻阻挡挡层层金金属属是是淀淀积积金金属属或或金金属属塞塞，作作用用是是阻阻止止层层上上下下的的材材料料互互相相混混合合（见见下下图图）。其其厚厚度度对对0.25m0.25m工工艺艺来来说说为为100nm100nm；对对0.35m0.35m工工艺艺来来说说为为40040060
18、0nm600nm。阻挡层金属阻挡层金属铜铜26可接受的可接受的阻挡层金属的基本特征：阻挡层金属的基本特征：1. 有很好的有很好的阻挡扩散作用；阻挡扩散作用；2. 高导电率具有很高导电率具有很低的欧姆接触电阻；低的欧姆接触电阻；3. 在半导体和金属之间有在半导体和金属之间有很好的附着；很好的附着；4. 抗电迁徒；抗电迁徒；5. 在很薄的并且高温下具有很好的在很薄的并且高温下具有很好的稳定性；稳定性；6. 抗侵蚀和氧化。抗侵蚀和氧化。 27钽钽作作为为铜铜的的阻阻挡挡层层金金属属：对对于于铜铜互互连连冶冶金金术术来来说说，钽钽（TaTa） 、氮氮化化钽钽和和钽钽化化硅硅都都是是阻阻挡挡层层金金属属
19、的的待待选选材材料料，阻阻挡挡层层厚厚度度必必须须很很薄薄（约约7575埃埃），以以致致它它不不影影响响具具有有高高深深宽宽比比填填充充薄薄膜膜的的电电阻阻率率而而又又能能扮扮演演一一个个阻阻挡挡层的角色。层的角色。铜铜钽钽 铜铜在在硅硅和和二二氧氧化化硅硅中中都都有有很很高高的的扩扩散散率率，这这种种高高扩扩散散率率将将破破坏坏器器件件的的性性能能。传传统统的的阻阻挡挡层层金金属属对对铜铜来来说说阻阻挡挡作作用用不不够够，铜铜需需要要由由一一层层薄薄膜膜阻阻挡挡层层完完全全封封闭闭起起来来，这这层层封闭薄膜的作用是封闭薄膜的作用是加固附着加固附着并有效地并有效地阻止扩散。阻止扩散。28硅化物
20、硅化物Silicide 难难熔熔金金属属与与硅硅在在一一起起发发生生反反应应，熔熔合合时时形形成成硅硅化化物物。硅硅化化物物是是一一种种具具有有热热稳稳定定性性的的金金属属化化合合物物，并并且且在在硅硅/难难熔熔金金属属的的分分界界面面具具有有低低的的电电阻阻率率。在在硅硅片片制制造造业业中中，难难熔熔金金属属硅硅化化物物是是非非常常重重要要的的，因因为为为为了了提提高高芯芯片片性性能能，需需要要减减小小许许多多源源漏漏和和栅栅区区硅硅接接触触的的电电阻阻。在在铝铝互互连连技技术术中中，钛钛和和钴钴是是用用于接触的普通难熔金属。于接触的普通难熔金属。如如果果难难熔熔金金属属和和多多晶晶硅硅反反
21、应应。那那么么它它被被称称为为多多晶晶硅硅化化物物。掺掺杂杂的的多多晶晶硅硅被被用用作作栅栅电电极极，相相对对而而言言它它有有较较高高的的电电阻阻率率（约约500-cm），正正是是这这导导致致了了不不应应有有的的信信号号延延迟迟。多多晶晶硅硅化化物物对对减减小小连连接接多多晶晶硅硅的的串串联联导导致致是是有有益益的的，同同时时也也保保持持了了多晶硅对氧化硅好的界面特性。多晶硅对氧化硅好的界面特性。29多晶硅上的多晶硅上的多晶硅化物多晶硅化物Polycide钛多晶硅化物钛硅化物多晶硅栅掺杂硅Figure 12.10 30Polycide is a silicide formed over pol
22、ycide. Widely used in DRAMs. In a polycide MOS Transistor process, the silicide is formed only over the polysilicon film as formation occurs prior to any polysilicon etch. Polycide processes contrast with salicide processes in which silicide is formed after the polysilicon etch. Thus, with a salicid
23、e process, silicide is formed over both the polysilicon gate and the exposed monocrystalline terminal regions of the transistor in a self-aligned fashion.31Silicide Polycide Salicide这三个名词对应的应用应该是一样的，都是利这三个名词对应的应用应该是一样的，都是利用硅化物来降低用硅化物来降低POLYPOLY上的连接电阻上的连接电阻。但生成的。但生成的工艺是不一样的工艺是不一样的Silicide就是金属硅化物就是金属硅
24、化物，是由金属和硅经过物，是由金属和硅经过物理化学反应形成的一种化合态，其导电特性理化学反应形成的一种化合态，其导电特性介于金属和硅之间介于金属和硅之间Polycide和和Salicide则是分别指对着则是分别指对着不同的形成不同的形成Silicide的工艺流程，的工艺流程，下面对这两个流程的区别下面对这两个流程的区别简述如下：简述如下：32Polycide Polycide ：其一般制造过程是，栅氧化其一般制造过程是，栅氧化层完成以后，继续在其上面生长多晶硅层完成以后，继续在其上面生长多晶硅( (POLY-SIPOLY-SI），），然后在然后在POLYPOLY上继续生长金上继续生长金属硅化物
25、（属硅化物（silicidesilicide），），其一般为其一般为 WSi2 WSi2 （硅化钨）和硅化钨）和 TiSi2 TiSi2 （硅化钛）薄膜，硅化钛）薄膜，然后再进行然后再进行栅极刻蚀栅极刻蚀和有源区注入等其和有源区注入等其他工序，完成整个芯片制造。他工序，完成整个芯片制造。33Salicide:Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀栅刻蚀及及源漏注入源漏注入以后，以溅射的方式在以后，以溅射的方式在POLYPOLY上上淀积淀积一一层层金属层金属层（一般为（一般为 Ti,CoTi,Co或或NiNi），），然后进行然后进行第一第一次次快速升温退火
26、处理（快速升温退火处理（RTARTA），使多晶硅表面和使多晶硅表面和淀积的金属发生反应，淀积的金属发生反应，形成金属硅化物形成金属硅化物。根据退火温度设定，使得其他根据退火温度设定，使得其他绝缘层绝缘层（ Nitride Nitride 或或 OxideOxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望的不希望的硅化物，硅化物，因此因此是一种自对准的过程是一种自对准的过程( (does not require lithographic patterning processes) )。然后然后再用一种选择性强的湿法刻蚀再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O
27、2/H20NH4OH/H2O2/H20或或H2SO4/H2O2H2SO4/H2O2的混合液）的混合液）清除不需清除不需要的金属淀积层，要的金属淀积层，留下栅极及其他需要做硅化物留下栅极及其他需要做硅化物的的salicidesalicide。34自对准硅化物自对准硅化物salicide由由于于在在优优化化超超大大规规模模集集成成电电路路的的性性能能方方面面，需需要要进进一一步步按按比比列列缩缩小小器器件件的的尺尺寸寸，因因此此在在源源/漏漏和和第第一一金金属属层层之之间间电电接接触触的的面面积积是是很很小小的的。这这个个小小的的接接触触面面积积将将导导致致接接触触电电阻阻增增加加。一一个个可可提
28、提供供稳稳定定接接触触结结构构、减减小小源源/漏漏区区接接触触电电阻阻的的工工艺艺被被称称为为自自对对准准硅硅化化物物技技术术。它它能能很很好好地地与与露露出出的的源源、漏漏以以及及多多晶晶硅硅栅栅的的硅硅对对准准。许许多多芯芯片片的的性性能能问问题题取取决决于于自自对对准准硅硅化物的形成（见下图）。化物的形成（见下图）。自对准硅化物的自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差主要优点是避免了对准误差。35362. 钛淀积Silicon substrate1. 有源硅区场氧化层侧墙氧化层多晶硅有源硅区3. 快速热退火处理钛硅反应区4. 去除钛TiSi2 形成Self-aligned silicid
29、e (“salicide”) process自对准硅化物工艺自对准硅化物工艺 SalicideSalicide37The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin me
30、tal film with silicon in the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes. The term salicide is a compaction of the phrase self-aligned silicide. The description self-aligned suggests that the contact formation does not
31、 require lithographic patterning processes, as opposed to a non-aligned technology such as polycide. The term salicide is also used to refer to the metal silicide formed by the contact formation process, such as titanium salicide, although this usage is inconsistent with accepted naming conventions
32、in chemistry.38金属填充塞金属填充塞多多层层金金属属化化产产生生了了对对数数以以十十亿亿计计的的通通孔孔用用金金属属填填充充塞塞填填充充的的需需要要，以以便便在在两两层层金金属属之之间间形形成成电电通通路路。接接触触填填充充薄薄膜膜也也被被用用于于连连接接硅硅片片中中硅硅器器件件和和第第一一层层金金属属化化。目目前前被被用用于于填填充充的的最最普普通通的的金金属属是是钨钨，因因此此填填充充薄薄膜膜常常常常被被称称为为钨钨填填充充薄薄膜膜( (见见下下图图) )。钨钨具具有有均均匀匀填填充充高高深深宽宽比比通通孔孔的的能能力力，因因此此被被选选作作传传统统的的填填充充材材料料。钨钨
33、可可抗抗电电迁迁徒徒引引起起的的失失效效，因因此此也也被被用作阻挡层以禁止硅和第一层之间的扩散及反应用作阻挡层以禁止硅和第一层之间的扩散及反应。铝铝虽虽然然电电阻阻率率比比钨钨低低，但但溅溅射射的的铝铝不不能能填填充充具具有有高高深深宽宽比比的的通通孔孔，基基于于这这个个原原因因，铝铝被被用用作作互互连连材材料料，钨钨被限于做被限于做填充材料填充材料。39多层金属的钨填充塞多层金属的钨填充塞早期金属化技术1. 厚氧化层淀积2. 氧化层平坦化3. 穿过氧化层刻蚀接触孔4. 阻挡层金属淀积5. 钨淀积6. 钨平坦化1. 穿过氧化层刻蚀接触孔2. 铝淀积3. 铝刻蚀在接触孔 (通孔)中的钨塞氧化硅(
34、介质)铝接触孔氧化硅(介质)现代金属化技术40IC中的金属塞中的金属塞SiO241阻挡层金属阻挡层金属阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，采用采用阻挡层可以消除阻挡层可以消除诸如诸如AlSiAlSi互溶和尖互溶和尖刺（如图所示）等问题刺（如图所示）等问题42通常用做通常用做阻挡层的金属阻挡层的金属是一类具有是一类具有高熔点的金属高熔点的金属，如钛如钛TiTi、钨钨W W、钽钽TaTa、钼钼MOMO、钴钴CoCo、铂铂PtPt等等钛钨（钛钨（TiWTiW）和氮化钛（和氮化钛（TiNTiN）是是两种常用的阻挡两种常用的阻挡层材料层材料TiNTiN引起在引起在AlAl
35、合金互连处理过程中的合金互连处理过程中的优良阻挡特优良阻挡特性性，被广泛应用于超大规模集成电路的制造中。，被广泛应用于超大规模集成电路的制造中。TiNTiN的缺点是的缺点是TiNTiN和硅之间的和硅之间的接触电阻较大接触电阻较大，为解，为解决这个问题，决这个问题，在在TiNTiN淀积之前，通常先淀积一薄淀积之前，通常先淀积一薄层钛（层钛（典型厚度为几十纳米或更少）。这层典型厚度为几十纳米或更少）。这层钛能钛能和和SiSi形成硅化物，从而降低接触电阻。形成硅化物，从而降低接触电阻。43具有具有 Ti/TiN Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨阻挡层金属的垫膜钨 CVD CVDTi2 准直钛淀积覆
36、盖通孔底部间隙填充介质铝通孔PECVD SiO21. 层间介质通孔刻蚀3.CVD TiN 4. 等角淀积TiN4. CVD 钨淀积钨通孔薄膜5. 钨平坦化钨填充薄膜Figure 12.23 钛钛充充当当了了将将钨钨限限制制在在通通孔孔中中的的粘粘合合剂剂；氮氮化化钛钛充充当当钨钨的的扩扩散散阻阻挡挡层层44双大马士革工艺双大马士革工艺铜不适合用干法刻蚀，为了形成铜互连铜不适合用干法刻蚀，为了形成铜互连金属线，金属线，应用双大马士革方法以避免铜应用双大马士革方法以避免铜的刻蚀。在大马士革过程中，不需要金的刻蚀。在大马士革过程中，不需要金属刻蚀确定线宽和间隔，而需介质刻蚀属刻蚀确定线宽和间隔，而需
37、介质刻蚀通过在层间介质刻蚀孔和槽，既为每一通过在层间介质刻蚀孔和槽，既为每一金属层产生通孔又产生引线，然后淀积金属层产生通孔又产生引线，然后淀积铜进入刻蚀好的图形，再用铜进入刻蚀好的图形，再用CMP去掉额去掉额外的铜外的铜45双大马士革法的铜金属化双大马士革法的铜金属化1: SiOSiO2 2 淀积淀积说说明明： 用 PECVD 淀积氧化硅到希望的厚度，这里没有关键的间隙填充，因此PECVD 是可以接受的。SiO2 462：Si3N4 刻蚀阻挡层淀积刻蚀阻挡层淀积说明：说明： 厚 250 的 Si3N4 刻蚀阻挡层被淀积在内层氧化硅上。SiN需要致密，没有针孔，因此使用 HDPCVD 。Si3
38、N4 473：确定通孔图形和阻挡层说明：说明： 光刻确定图形、干法刻蚀通孔窗口进入 SiN. 中，刻蚀完成后去掉光刻胶。SiN 484：淀积保留介质的 SiO2说明：说明： 为保留层间介质，PECVD 氧化硅淀积。SiO2 495：确定互连图形 说明：说明：光刻确定氧化硅槽图形，带胶。在确定图形之前将通孔窗口放在槽里。Photoresist 506：刻蚀互连槽和通孔 说明：说明：在层间介质氧化硅中干法刻蚀沟道，停止在 SiN 层。穿过 SiN.层中的开口继续刻蚀形成通孔窗口。 517：淀积阻挡金属层 说明：说明：在槽和通孔的底部及侧壁用离子化的PVD淀积钽( TaN）和氮化钽扩散层。阻挡层金属
39、 528：淀积铜种子层 说明：说明：用 CVD. 淀积连续的铜种子层，种子层必须是均匀的并且没有针孔。铜种子层 539：淀积铜填充 说明：说明：用电化学淀积 (ECD).淀积铜填充，即填充通孔窗口也填充槽。铜层 5410：用CMP清除额外的铜 说明：说明：用CMP 清除额外的铜，这一过程平坦化了表面并为下道工序做了准备。最后的表面是一个金属镶嵌在介质内，形成电路的平面结构。Copper55铜镶嵌布线铜镶嵌布线ILDILDM1CuSiNCu通孔通孔和和金属层金属层的铜填充的铜填充同时进行同时进行，节省了工节省了工艺步骤艺步骤并并消除了消除了通孔和金属线之间的通孔和金属线之间的界面界面5610.3
40、 10.3 平坦化平坦化为什么要实现芯片的平坦化？为什么要实现芯片的平坦化？为了能够在有限的圆晶片表面上为了能够在有限的圆晶片表面上有足够的金属内连有足够的金属内连线线，以配合日趋精密且复杂的集成电路的发展需求，以配合日趋精密且复杂的集成电路的发展需求，在晶片上制作两层以上的金属层，早已成为半导体在晶片上制作两层以上的金属层，早已成为半导体工艺发展的一种趋势工艺发展的一种趋势( (尤其是在尤其是在VLSIVLSI逻辑产品上更显逻辑产品上更显得重要得重要) )。为了使两层金属线之间有良好的隔离效。为了使两层金属线之间有良好的隔离效果，在制作第二层金属层之前，必须先把果，在制作第二层金属层之前，必
41、须先把用来隔离用来隔离这两层导线的介电层这两层导线的介电层做好才行。但是，因为这层以做好才行。但是，因为这层以CVDCVD法法所沉积的介电层会受到第一层金属层的轮廓所沉积的介电层会受到第一层金属层的轮廓的影响，因此的影响，因此必须加以平坦化，以利于第二层金属必须加以平坦化，以利于第二层金属的光刻。的光刻。平坦化以后，就可以沉积第二层金属了。平坦化以后，就可以沉积第二层金属了。57用于晶圆平坦化的术语用于晶圆平坦化的术语 58e)e)全面平坦化全面平坦化 a)a)未平坦化未平坦化 b)b)平滑化平滑化 c)c)部分平坦化部分平坦化 d)d)局部平坦化局部平坦化59平坦化技术平坦化技术局部平坦化局
42、部平坦化的特点是在的特点是在一定范围一定范围的硅片的硅片表面上表面上实现平坦化实现平坦化，主要技术为，主要技术为旋涂玻旋涂玻璃（璃（SOGSOG）法。法。SOGSOG是一种相当于是一种相当于SiO2SiO2的的液相绝缘材料，通过类似涂胶的工艺，液相绝缘材料，通过类似涂胶的工艺，将其有效地填满凹槽以实现将其有效地填满凹槽以实现局部平坦化局部平坦化。全局平坦化全局平坦化则主要通过则主要通过化学机械抛光法化学机械抛光法（CMPCMP）来实现，其特点是来实现，其特点是整个硅片表面整个硅片表面上介质层是平整的。上介质层是平整的。 6010.3.1 10.3.1 旋涂玻璃法旋涂玻璃法旋涂玻璃法旋涂玻璃法(
43、 (SOG: Spin- On- GlassSOG: Spin- On- Glass）SOGSOG基本原理：把一种溶于溶剂内的介电材料以旋涂基本原理：把一种溶于溶剂内的介电材料以旋涂的方式涂在晶片上。介电材料可以随着溶剂在晶片的方式涂在晶片上。介电材料可以随着溶剂在晶片表面流动，填入凹槽内。表面流动，填入凹槽内。SOGSOG的优点：的优点：液态溶液覆盖，填充能力好。液态溶液覆盖，填充能力好。SOGSOG的缺点：的缺点： (1) (1) 易造成微粒，易造成微粒，主要来自主要来自SOGSOG残留物，可以通过残留物，可以通过 工艺和设备改善来减少。工艺和设备改善来减少。 (2) (2) 有龟裂及剥离
44、的现象，有龟裂及剥离的现象，通过对通过对SOGSOG材料本身与材料本身与工艺的改进来避免工艺的改进来避免 (3) (3) 有残余溶剂有残余溶剂“释放释放”的问题的问题61SOG的制造过程可以分为的制造过程可以分为涂布与固化涂布与固化两个阶段两个阶段涂布是将涂布是将SOG以旋涂的方式覆盖在晶片的表面以旋涂的方式覆盖在晶片的表面固化以热处理的方法固化以热处理的方法,在高温下把在高温下把SOG内剩余的溶剂内剩余的溶剂赶出赶出,使使SOG的密度增加的密度增加,并固化为近似于并固化为近似于SiO2的结的结构构SOG在实际应用上在实际应用上,主要是采用所谓的三明治结构主要是采用所谓的三明治结构:以以SOG
45、为主的平坦化内连线的介电层为主的平坦化内连线的介电层,事实上是由两事实上是由两层以层以CVD法沉积的法沉积的SiO2和和SOG法所覆盖的法所覆盖的SiO2等三等三层介电层所构成的层介电层所构成的,SOG被两层被两层CVD-SiO2所包夹所包夹制作这种介电层主要有制作这种介电层主要有“有回蚀有回蚀”及及“无回蚀无回蚀”两种两种方法方法62图（图（a a）刚沉积在有高低起伏的晶片刚沉积在有高低起伏的晶片表面的介电层截面表面的介电层截面（b b）经部分平坦化后的介电层外观；经部分平坦化后的介电层外观；（c c）具备局部平坦度的介电层具备局部平坦度的介电层（d d）具备全面性平坦度的介电层具备全面性平
46、坦度的介电层 63下图是实际应用采用的结构，这一技术可以进下图是实际应用采用的结构，这一技术可以进行制程线宽到行制程线宽到0.50.5的沟填（的沟填（Gap FillGap Fill）与平与平坦化。列有两种主要的坦化。列有两种主要的SOGSOG的平坦化流程。的平坦化流程。 制程启始于晶片制程启始于晶片已完成第一层金已完成第一层金属层的蚀刻；属层的蚀刻； 以以PECVDPECVD法沉法沉积第一层积第一层SiOSiO2 2 进行进行SOGSOG的涂的涂布与固化。布与固化。 64紧接着，紧接着，SOGSOG的制程将分为有的制程将分为有/ /无回蚀两种方式无回蚀两种方式 在有回蚀的在有回蚀的SOGSO
47、G制程中，上完制程中，上完SOGSOG的晶片，将进行电浆干蚀的晶片，将进行电浆干蚀刻，以去除部分的刻，以去除部分的SOG SOG 然后再沉积第二层然后再沉积第二层PECVD SiOPECVD SiO2 2，而完成而完成整个制作流程整个制作流程 至于至于“无加蚀无加蚀”的的SOGSOG制程，则在制程，则在晶片上完晶片上完SOGSOG之后，直接进行第二之后，直接进行第二层层PECVD SiOPECVD SiO2 2的沉积的沉积。 6510.3.2 10.3.2 化学机械抛光法化学机械抛光法化学机械抛光化学机械抛光( (研磨研磨) )法法（ CMP-Chemical-CMP-Chemical-Mec
48、hanical PolishingMechanical Polishing），），这是唯一一种能提供这是唯一一种能提供VLSIVLSI全面平坦化的技术，由全面平坦化的技术，由IBMIBM公司提出。公司提出。化学机械研磨技术，兼具有研磨性物质的化学机械研磨技术，兼具有研磨性物质的机械式研磨机械式研磨与酸碱溶液的与酸碱溶液的化学式研磨化学式研磨两种两种作用，可以使晶圆表面达到全面性的平坦作用，可以使晶圆表面达到全面性的平坦化，以利于后续薄膜沉积之进行。化，以利于后续薄膜沉积之进行。66CMP用研磨垫 多孔的表面圖 18.15 67CMP用用研磨垫研磨垫 (Photo courtesy of Spe
49、edfam-IPEC) 照片 18.2 68带多个磨头的带多个磨头的CMPCMP设备设备 研磨研磨用用磨料磨料磨料喷嘴旋转中的转盘抛光垫磨头连杆磨头背膜硅片圖 18.17 69(Photo courtesy of Speedfam-IPEC) CMP设备设备照片 18.3 70CMP的應用的應用 vSTISTI氧化物的研磨氧化物的研磨vLILI氧化物的研磨氧化物的研磨vLILI钨钨的研磨的研磨vILDILD氧化物的研磨氧化物的研磨v钨钨插塞的研磨插塞的研磨v大马士革铜的研磨大马士革铜的研磨71用於用於STI之氧化物填溝的之氧化物填溝的CMP 圖 18.23 CMP之研磨氧化物之CVD 研磨後S
50、TI氧化物氮化物剝除 襯氧化物 p 磊晶層 p 矽基板 n井 p井72LILI氧化物氧化物 圖 18.24 摻雜氧化物之CVD 氮化矽之CVD氧化物之CMPLI氧化物 n井 p井 p 磊晶層 p 矽基板73ILD氧化物之研磨氧化物之研磨 圖 18.25 ILD-1氧化物之沈積氧化物之CMPILD-1氧化物之蝕刻LI氧化物 n井 p井 p 磊晶層 p 矽基板74用於雙鑲嵌銅冶金化之用於雙鑲嵌銅冶金化之CMP 圖 18.26 銅之沈積鉭之沈積 銅鉭氮化物氧化物之CMP鉭 氮化物銅75 传统传统CMP与大马士革与大马士革CMP比较比较76习题习题AL/SiAL/Si接触存在哪两个问题？请简述他们形成的接触存在哪两个问题？请简述他们形成的原因以及解决的办法？原因以及解决的办法？ICIC互连金属化引入铜的优点以及对铜的挑战有互连金属化引入铜的优点以及对铜的挑战有哪些？哪些？比较三种工艺：比较三种工艺：Silicide Polycide SalicideSilicide Polycide Salicide77
