第十章金属化与平坦化

1、12345678接触接触Early structures 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9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？10 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 metalSchottkyContact11Al/N-Si势垒

2、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 0.40.4eVeV1213141516ILD-4ILD-5ILD-6Top NitrideBonding pad Metal-5 (Aluminum)Metal-4Via-4Metal-4 is preceded by other vias, inter

3、layer dielectric, and metal layers.Metal-3铝互连铝互连1718Gate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-SiAl-Si界面形成一层很界面形成一层很薄的薄的Al-SiAl-Si合金。合金。AlAl通过通过Al-SiAl-Si合金和接触孔下的合金和接触孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触重掺杂半导体接触，形成欧姆接触Al-SiAl-Si系统一般合金温度为系统一般合金温度为450

4、450o o500 500 19金属和硅接触的问题金属和硅接触的问题- - 尖峰现象尖峰现象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2021小丘短接的两条金属线金属线中的空洞22铝铜合金铝铜合金2324 25 26阻挡层金属阻挡层金属铜铜27 28铜铜钽钽 铜铜在硅和二氧化硅中都在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率有很高的扩散率，这种高扩，这种高扩散率将破坏器件的性能。散率将破坏器件的性能。传统的阻挡层金属对铜来说阻挡传统的阻挡层金属

5、对铜来说阻挡作用不够，铜需要作用不够，铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这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。2930钛多晶硅化物钛硅化物多晶硅栅掺杂硅Figure 12.10 3132333435362. 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 silicide (“salicide”) process自对准硅化物工艺自对准硅化物工艺 SalicideSalicide3738早期

6、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(介质)铝接触孔氧化硅(介质)现代金属化技术39SiO2404142Ti2 准直钛淀积覆 盖通孔底部间隙填充介质铝通孔PECVD SiO21. 层间介质通孔刻蚀CVD TiN 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 钛钛充当了将钨充当了将钨限制在通孔中限制在通孔中的的粘合剂粘合剂；氮氮化钛化钛充当钨的充当钨的扩散阻挡层扩散阻挡层4344SiO2

7、Table 12.5.1 45Si3N4Table 12.5.2 46SiNTable 12.5.3 47SiO2Table 12.5.4 48PhotoresistTable 12.5.5 49Table 12.5.6 50阻挡层金属Table 12.5.7 51铜种子层Table 12.5.8 52铜层Table 12.5.9 53Copper54ILDILDM1CuSiNCu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5556平坦化形式 描述 平滑化 阶梯高度的转角为圆滑的且侧壁是倾斜式

8、的，但其高度则未能明显降低。 部分平坦化 平滑化加上局部的阶梯高度降低。 局部平坦化 在较小间隙(1 到 10m) 或在晶粒间局部区域的完全填充，跨于晶圆上相对与平面的整体阶梯高度并未明显降低。 全面平坦化 完成局部平坦化加上跨于全晶圆的整体阶梯高度也有明显的降低，此又称为均一性。 57e)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585960图（图（a a）刚沉积在有高低起伏的晶片表面刚沉积在有高低起伏的晶片表面的介电层截面的介电层截面（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；（

9、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坦度的介电层 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。 在有回蚀的在有回蚀的SOGSOG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

10、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。 6465多孔的表面圖 18.15 66(Photo courtesy of Speedfam-IPEC) 照片 18.2 67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 68(Photo courtesy of Speedfam-IPEC) 照片 18.3 6970圖 18.23 1Planarization by chemical mechanical polishingSTI oxi

11、de after polishLiner oxidep+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellNitride strip3Oxide CVD2CMP之研磨氧化物之CVD 研磨後STI氧化物氮化物剝除 襯氧化物 p 磊晶層 p 矽基板 n井 p井71圖 18.24 n-wellp-wellOxide CMP 3LI oxidep+ Silicon substratep- Epitaxial layer2Doped oxide CVD1Nitride CVD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72圖 18.25 Oxide CMPILD-1 oxide etchp+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-well23LI oxideILD-1 oxide deposition1ILD-1ILD-1氧化物之沈積氧化物之CM