课件-西安交通大学_微电子制造技术_第十二章_金属化

1、微电子制造技术第 12 章 金属化 概 述 金属化是指芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上淀积金属薄膜，并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整体。高性能的微处理器用金属线在一个芯片上连接成千上万甚至上亿个器件，所以其复查程度是可想而知的。 由于ULSI组件的密度增加，互联线的宽度和间距在不断变小。互连电阻和寄生电容也会随之增加，从而降低了信号的传输速度。 减小互连电阻可通过用铜取代铝作为基本的导电金属已成为现实。除此之外，对于亚微米的线宽，还需要采用低K值层间介质(ILD)降低介电常数来减少寄生电容。学 习 目 标1.了解芯片制造中的6种金属，讨论它

2、们的性能要求并给出每种金属的应用；2.解释在芯片制造过程中使用各种金属的优缺点，描述应用铜的挑战；3.分析溅射的优点和缺点；4.了解铜电镀的基础；5.熟悉双大马士革法的工艺流程。 金属化对不同的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。层间介质金

3、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 多层金属化 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，通过光刻、刻蚀形成通孔，以便为各金属层之间形成通路，再用金属(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。这种变化源于铜刻蚀很困难，为了克服这个问题，铜冶金术应用双大马士革

4、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（见图12.2）。传统互连流程氧化硅通孔2刻蚀 钨淀积 + 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CMPFigure 12.2 传统金属化工艺和大马士革金属化工艺比较 Photo 12.1 铜金属化 以提高电路性能为目的，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: 2.黏附性 3.淀积工艺 4.刻印图形/平坦化 5.可靠性 6.抗腐蚀性 7.应力金属类型

5、Table 12.1 硅片制造业中所选择的金属 (at 20C) 在芯片制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 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常用的互连金属。在本世纪制造高性能IC工艺中，铜互连金属已经取代传统的铝。然而，由于基本工艺中铝互连金属的普遍性， 所以了解铝金属化也是非常有必要的。 铝在20时具有2.65-cm的低电阻率，比铜、金及银的电阻率略高。然而铜和银都比较容易腐蚀，且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，铝能够很容易和二氧化硅反应，通过加热形成氧化铝（AL2

6、O3），进而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。铝仍然作为首选的金属应用于金属化。Figure 12.3 铝互连 欧姆接触 为了在金属和硅之间形成良好的欧姆接触，通常采用热处理（400500）方法实现，在惰性气体或还原的氢气环境中进行。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（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（见图12.4）。 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

7、的界面是非常重要的。Gate阻挡层金属欧姆接触铝、钨、铜等SourceDrainOxideFigure 12.4 欧姆接触结构 结“穿通”：在加热过程中，铝和硅能够相互共溶共溶点温度(570)比各自的熔点低，形成接触金属和硅的微合金，在纯铝和硅界面加热时有时会出现结尖刺发生，并导致铝向硅中扩散，出现所谓的结“穿通”现象，严重时会影响器件性能，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 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徙(Electromigration)引起的可靠性问题。

8、由于电迁徒会在金属表面金属原子堆积形成小丘(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能短接在一起。这就使在ULSI中用铜取代铝的原因之一。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 IC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 mW-cm 减小到铜的1.678 mW-cm ；减少RC的信号延迟，增加芯片速度。2.功耗的减少：减小了线条电阻，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

9、要更少的金属层。4.良好的抗电迁徙性能：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。 Table 12.2 与 0.25-m 器件比较互连延迟的变化 Table 12.3 铝和铜之间特性和工艺的比较 对铜的挑战 与传统的铝互连比较，用铜作为金属互连主要涉及三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝金属化技术，在铜应用于IC互连之前必须解决：铜的快速扩散将进入氧化硅和硅中，一旦铜扩散 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，而这一点对于

10、经济的干法刻蚀是必不可少的。 3.低温下(200)空气中，铜会很快被氧化，而 且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。 提高欧姆接触及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 用于铜互连结构的阻挡层 阻挡层金属在金属互连中被广泛应用。为了连接铝互连金属和MOS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

11、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的附着；4.抗电迁徙；5.对很薄的厚度在高温下具有很好的稳定性；6.抗侵蚀和氧化。 铜阻挡层金属 铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将会破坏器件的性能。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

12、小的厚度，占据最大的横截面积。 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），以致它不影响具有高深宽比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色铜钽Figure 12.8 硅化物 难熔金属与硅在一起发生反应，熔合时形成硅化物。硅化物是一种具有热稳定性的金属化合物，并且在硅/难熔金属的分界面具有低的电阻率(见图12.9)。在硅片制造业中，难熔金属硅化物是非常重要的，为了提高芯片性能，需要减小许多源漏和栅区硅接触的电阻。在铝互连技术中，钛和钴是用于接触的普通难熔金属。 如果难熔金属和多晶硅反应。那么它被称为多晶硅

13、化物（见图12.9）。掺杂的多晶硅被用作栅电极，相对而言它有较高的电阻率（约500-cm），正是这导致了不应有的RC信号延迟。多晶硅化物对减小连接多晶硅的串联电阻是有益的，同时也保持了多晶硅和氧化硅好的界面特性。钛/钛钽阻挡层金属金属钨钛硅化物接触Silicon substrate多晶硅栅钛硅化物接触OxideOxideSourceDrainFigure 12.9 硅接触上的难溶金属硅化物Table 12.4 硅化物的一些特性 Figure 12.11 TiSi2的退火相 自对准硅化物 在优化超大规模集成电路的性能方面，需要进一步按比列缩小器件的尺寸，因此在源/漏和第一金属层之间电接触的面积是

14、很小的。这个小的接触面积将导致接触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源/漏区接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。它能很好地与源、漏以及多晶硅栅的硅对准。许多芯片的性能问题取决于自对准硅化物的形成（见下图）。 自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。自对准硅化物STITiSi2STISGDTiSi2TiSi2TiSi2减少的方阻减少栅的电阻减少的接触电阻减少的二极管漏电Figure 12.12 自对准金属硅化物的形成2. 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. 钛刻蚀TiSi2 形成Figure 12.13

15、金属填充塞多层金属化产生了对数以十亿计的通孔用金属填充塞填充的需要，以便在两层金属之间形成电连接。目前被用于填充的最普通的金属是钨，因此填充薄膜常常被称为钨填充薄膜(图12.14)。钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力，因此被选作传统的填充材料。钨可抗电迁徒引起的失效，因此也被用作阻挡层以禁止硅和第一层之间的扩散及反应。钨是难熔材料，熔点为：3417，在20时，体电阻率是52.8-cm。铝虽然电阻率比钨低，但溅射的铝不能填充具有高深宽比的通孔，基于这个原因，铝被用作互连材料，钨被限于做填充材料。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

16、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Figure 12.14 SiO2Photo 12.2 IC 中的金属塞 金属淀积系统物理气相淀积 (PVD) 用于半导体制造业的传统金属化工艺归并到被称为物理气相淀积(PVD)一类。PVD开始是用灯丝蒸发实现的，接着是用电子束，最近是通过溅射。物理气象淀积已成为淀积金属薄膜最常用的技术。 在SSI和MSI集成电路时代，蒸发是主要的金属化方法。由于蒸发工艺台阶覆盖的特性差，所以后来被溅射取代。被用于传统和双大马士革金属化的不同金属淀积

17、系统是： 蒸发 溅射 金属 CVD 铜电镀 蒸 发 在芯片制造的早期，所有金属层都是通过蒸发(PVD)方法淀积的。为了获得更好的台阶覆盖、间隙填充和溅射速度，在70年代后期大多数芯片制造技术领域蒸发已被溅射取代。 蒸发由待蒸发的材料放进坩锅，在真空系统中加热并使之蒸发(见图12.15)。最典型的加热方法是利用电子束加热放置在坩锅中的金属。在蒸发中保持高真空环境。被蒸汽分子的自由程增加，并在真空腔里以直线形式运动，直到它撞击表面凝结形成薄膜。 蒸发的最大缺点是不能产生台阶覆盖；性能上不能形成具有深宽比大于1:1的连续薄膜；还有对淀积合金的限制。机械泵高真空阀高真空泵工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片

18、盘Figure 12.15 简单的蒸发装置 溅 射 溅射是物理气相淀积形式之一，主要是一个物理过程，而非化学过程，在溅射过程中，高能粒子撞击具有高纯度的靶材料(固体平板)，按物理过程撞击出原子。这些被撞击出的原子穿过真空，最后淀积在硅片上。溅射的优点是:1.具有淀积并保持复杂合金原组分的能力；2.能够淀积只有高温才能熔化的难熔金属；3.能够控制在直径为200mm或更大的硅片上淀积均 匀薄膜；4.具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片 表面沾污和自然氧化层。 尾气e-e-e-DC 直流二极管溅射装置衬底 1) 电场产生 Ar+ 离子 2) 高能Ar+ 离子和 金属靶撞击 3) 将金属原子 从

19、 靶中撞击阳极(+)阴极 (-)氩原子电场金属靶等离子体 5) 金属淀积在衬底上 6) 用真空泵将多余 物质从腔中抽走4) 金属原子向衬底迁移.进气+Figure 12.16 简单平行金属板直流二极管溅射系统 基本溅射步骤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；在加速过程中获得动量，并轰击靶；离子通过物理过程从靶上撞击出（溅射）原子，靶具有想要的材料组分；被撞击（溅射）出的原子迁移到硅片表面；被溅射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，与靶材料相比，薄膜具有与它基本相同的材料组分；额外材料由真空泵抽走。溅射中的物理学 溅射的一个基本方面是氩气被离化形成等离子体。氩被用做溅射离子，

20、是因为它相对较重并且化学上是惰性气体，这避免了和生长薄膜或靶发生化学反应。工艺腔中的射频电场使进入工艺腔内的中性的氩原子离化，产生出带正电荷的氩离子。 带正电荷的氩离子被阴极靶的负电位强烈吸引。当这些带电的氩离子通过辉光放电区时，它们被加速并获得动能。当氩离子轰击靶表面时，氩离子的动能转移给靶材料以撞击出一个或多个原子。被撞出的这些原子穿过等离子体抵达硅片表面，淀积形成均匀薄膜；阳极(+)阴极 (-)电场金属靶等离子体辉光产生的光子被溅射的原子Substrate高能原子中子包含杂质的阴离子轰击靶产生的X-射线阴离子e-Figure 12.18 不同核素淀积在衬底上 如图所示，除了被溅射的原子外

21、，还有其它核素淀积在衬底上。这些核素会对衬底加热(使温度达到350)，引起薄膜淀积不均匀。在铝的淀积过程中，高温也可能产生不需要的铝氧化，这反而妨碍了溅射过程。另外如果这些核素(杂质原子)掺进正在衬底上生长的薄膜内，将会引起薄膜的质量出现问题。 以上介绍的溅射系统是一个简单的直流二极管系统，它不能用于溅射介质，因为电极被介质覆盖后辉光放电不能够维持。同样也不能用于溅射刻蚀。下面介绍三类溅射系统： RF (射频) 磁控 IMP (离子化的金属等离子体) 磁控溅射：在靶的周围装置了磁体以俘获并限制电子于靶的前面，这种装置增加了离子在靶上的轰击率，产生更多的二次电子，进而增加原子电离的速率。使等离子

22、体增加，因此提高了淀积速率。DC 电源被加热的硅片吸盘磁铁氩气入口真空泵 靶 阴极Figure 12.20 磁控溅射系统 准直溅射 为了在接触孔或通孔的底部和边沿取得较好的覆盖，通常利用准直溅射能够获得较好的效果(见图12.21)。设置的准直器好像是等离子体的阴极。用这种方法，任何从靶上被溅射出的高角度中性核素被中断，并淀积在准直器上。从靶上直线喷射的其他原子将通过准直器淀积在接触孔的底部，准直器在接触孔中减少了对侧墙的覆盖。 准直器的应用意味着被溅射的材料大部分将到不了硅片，因为被溅射材料的大部分终止在准直器上，这个结果降低了溅射的生产效率。如果台阶覆盖是一个关键因素，那么在磁控溅射的基础上

23、用IMP或CVD淀积会更有效。 溅射薄膜覆盖通孔的剖面图Ar靶准直器Figure 12.21 准直溅射 离子化的金属等离子体 随着特征尺寸的不断缩小，溅射进入具有高深宽比通孔和狭窄沟道的能力受到限制。为了克服这个问题，在PVD方面的发展是离子化的金属等离子体PVD。这种方法是在压力为2040毫托的RF等离子体中，溅射的金属被离子化（见图12.22）。 由于硅片上加了负的偏置电压，正的金属离子沿着垂直路径朝硅片运动。偏置的硅片能使薄膜在高深宽比间隙的底部和角落具有更高的一致性。 离子化的PVD对0.25m工艺来讲，主要用于淀积钛和氮化钛阻挡层。离子化的金属等离子体 PVD的概念Substrate

24、Electrode电极钛靶+RF场高能氩离子钛离子被溅射的钛原子e-e-离子体DC 电源RF 发生器DC 场DC电源电感线圈Figure 12.22 金属 CVD： 由于化学气相淀积具有良好的台阶覆盖以及对高深宽比接触通孔无间隙式的填充，在金属淀积方面它的应用正在增加。当器件的特征尺寸减小到0.15m或更小时，这些因素在硅片制造业中至关重要。在0.15m的器件设计中，DRAM存储器通孔的深宽比被设计成7:1，逻辑电路设计成2.4:1。 钨 CVD极好的台阶覆盖和间隙填充良好的抗电迁徙特性 铜 CVD极好的一致性 钨 CVD 钨填充薄膜淀积通常选用LPCVD，反应器既可以是热壁也可以是冷壁，最常

25、用的气源是WF6，反应方程如下： WF6(气体)3H2 W(固体)6HF(气体)与PVD相比，CVD淀积钨的方法虽然成本较高，但淀积方向控制较好，在通孔中薄膜的均匀性更好，所以CVD是钨淀积的首选方法。 CVD淀积钨薄膜的质量取决于硅片表面的化学反应。Ti2 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 具有 Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨 CVD 铜电镀 IC制造业转到铜金属化对所有芯片制造商来说都只是刚刚起步。首先，高性能处理器和快速静态存储

26、器正在转向铜工艺。 电镀铜金属的基本原理是将具有导电表面的硅片沉浸在硫酸铜溶液中，这个溶液包含所需要淀积的铜（见图12.24）。硅片和种子层作为带负电荷的平板或阴极电连接到外电源。固体铜块沉浸在溶液中并构成带正电荷的阳极。电子从硅片进入溶液到达铜阳极。当电流流动时，下列反应在硅片表面淀积铜金属： Cu2+ + 2e- Cuo- 阴极+ 阳极衬底电镀液入口出口出口铜离子 铜原子附着在硅片上+Figure 12.24 铜电镀Photo 12.4 铜电镀工具铜大马士革结构 半导体产业正在实现用铜作为微芯片的互连材料，用铜作为金属互连需要解决的问题是铜的快速扩散和铜的刻蚀技术。 如前所述，铜的快速扩散

27、可采用阻挡层进行屏蔽，而铜的刻蚀技术则是采用所谓的大马士革结构解决。 其方法是通过在层间介质中刻蚀孔和槽，然后淀积铜进入刻蚀好的图形，再应用化学机械平坦化去除额外的铜。 双大马士革法有许多可能的过程步骤。表12.5中解释了使用基本技术的工艺流程。表 12.5 -1 双大马士革法的铜金属化1: SiO2 淀积说明： 用 PECVD 淀积内层氧化硅到希望的厚度，这里没有关键的间隙填充，因此PECVD 是首选的制造工艺。SiO2Table 12.5.1 2：SiN 阻挡层淀积说明： 厚 250 的 SiN 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 。SiN表

28、 12.5-2 双大马士革法的铜金属化Table 12.5.2 表 12.5-3 双大马士革法的铜金属化3：确定通孔图形和阻挡层说明： 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。SiNTable 12.5.3 表 12.5-4 双大马士革法的铜金属化4：淀积保留介质的 SiO2说明： 为保留层间介质，PECVD 氧化硅淀积。SiO2Table 12.5.4 表 12.5-5 双大马士革法的铜金属化5：确定互连图形 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。PhotoresistTable 12.5.5 表 12.5-6 双大马士革法的铜金属化6：刻蚀互连槽和通孔说明：在层间介质氧化硅中干法刻蚀沟道