微电子材料与制程：第七章 金属薄膜技术与化学品-金属化

1、2018年深圳大学材料学院本科生课程微电子材料与制程第七章 金属薄膜技术与化学品-金属化27.1 引言37.1 引言 WCu金属化: 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。47.1 引言互连（Interconnection）：指由导电材料，如铝，多晶硅或铜制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分。接触（Contact）：硅芯片内的器件与第一层金属层之间在硅表面的连接。通孔（Via）：穿过各种介质层，从某一层金属层到相邻的另一金属层形成电通路的开口。填充薄膜：

2、指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属层间形成电连接。57.1 引言层间介质金属互连结构硅衬底中的扩散有源区 CMOS互连结构剖面图钨塞通孔互连结构金属互连局部互连 (钨)初始金属接触67.1 引言77.2 互连金属材料的要求1）导电率：为维持电性能的完整性，必须具有高导电率，能够传导高电流密度。 2）粘附性：能够粘附下层衬底，容易与外电路实现电连接。与半导体和金属表面连接时接触电阻低。3）淀积：易于淀积并经低温处理后具有均匀结构和组分（对于合金）。能够为大马士革金属化工艺淀积具有高深宽比的间隙。87.2 互连金属材料的要求4）刻印图形/平坦化：为刻蚀过程中不刻蚀下层介质的传统铝金属化工艺提供具有

3、高分辨率的光刻图形，大马士革金属化易于平坦化。 5）可靠性：为了在处理和应用的过程中经受住温度循环变化，金属应相对柔软且有较好的延展性。 6）抗腐蚀性：有很好的抗腐蚀性，在层与层之间及下层器件区具有最小的化学反应。 7）应力：很好的抗机械应力特性以便减少硅片的扭曲和材料失效，比如断裂、空洞的形成和应力诱导腐蚀。97.3 常用互连金属材料MaterialMeltingTemperature (C)Resistivity(mW-cm)Silicon (Si)1412 109Doped Polysilicon (Doped Poly)1412 500 525Aluminum (Al)6602.65C

4、opper (Cu)10831.678Tungsten (W)34178Titanium (Ti)167060Tantalum (Ta)299613 16Molybdenum (Mo)26205Platinum (Pt)177210在芯片制造业中各种金属和金属合金可组合成下列种类：铝、铝铜合金、铜、阻挡层金属、硅化物、金属填充塞107.4 铝金属互连在半导体制造业中，最早的互连金属是铝，铝以薄膜的形式在硅片中连接不同器件。 铝在20时具有2.65-cm的低电阻率。铝容易和氧化硅反应形成氧化铝，促进了氧化硅和铝之间的附着。铝能够轻易淀积在硅片上，可用湿法腐蚀而不影响下层薄膜。 ILD-4ILD-

5、5ILD-6顶层氮化硅压焊点 金属-5 铝金属-4通孔-4其他通孔，层间介质和金属层在金属4之前处理.金属-3117.4 铝金属互连铝的优点 1. 电阻率低（2.65cm） 2. 与硅和二氧化硅的粘附性好 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 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127.4 铝金属互连结穿通现象：在纯铝和硅的界面加热合金化过程中（通常450500） ，硅将

6、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。137.4 铝金属互连解决结穿刺问题的方法：1. 采用铝硅（12%）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。147.4 铝金属互连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。控制纯铝电迁徙现象的办法是采用铝铜

7、（0.54%）合金替代纯铝。15由于铝的低电阻率及其与硅和硅片制造工艺的兼容性，因此它被选择作为IC的主要互连材料。然而铝有电迁徙引起的可靠性问题。电迁移（EM，Electromigration）：在导电材料中通过大电流密度的情形下，电子和材料原子碰撞，产生动量传递，称为电子风。电子风引起金属原子逐渐移动，原子的移动导致原子在导体负极的损耗。这样，在金属连线上就会出现空洞和小丘。空洞会使连线减薄甚至断路，小丘会使连线间发生短路。大多数的电迁移沿着晶粒边界发生，晶粒边界与电流方向平行时，电迁移效果最为明显。7.4 铝金属互连16 电子风作用模型与效果7.4 铝金属互连17电迁移效应导致的孔洞和凸

8、起物a）在平底通孔下方出现的由电迁移所导致的空洞横跨整个导线厚度；b）薄的空洞导致短的电迁移寿命；c） 平底通孔在拐角处出现空洞成核；d）在锥形通孔下方的全跨度空洞7.4 铝金属互连187.5 铜金属互连在深亚微米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。197.5 铜金属互连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。207.5 铜金属

9、互连 铜互连的优点 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217.5 铜金属互连 铜的缺点 1. 不能干法刻蚀铜 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227.5 铜金属互

10、连237.5 铜金属互连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。247.5 铜金属互连传统Al布线工艺与大马士革Cu工艺的差别257.5 铜金属互连双大马士革铜金属化工艺流程267.5 铜金属互连277.5 铜金属互连287.6 阻挡层阻挡层金属的作用 1. 提高欧姆接触的可靠性； 2. 消除浅结材料扩散或结尖刺； 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

11、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29通常用作阻挡层的金属是一类具有高熔点被认为是难熔的金属。在硅片制造业中，用于多层金属化的普通难熔金属有钛（Ti）、钨（W）、钽（Ta）、钼（Mo）、钴（Co）和铂（Pt）。钛钨（TiW）和氮化钛（TiN）也是两种普通的阻挡层金属材料，它们阻止硅衬底和铝之间的扩散。 7.6 阻挡层30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，铜需要有一层薄膜阻挡层完全封装起来，这层封装薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。在这两个要求之间需要有一个平衡和折中，因为好的附着需要与铜

12、有某种程度的反应，而好的阻挡层金属却需要和铜之间没有反应。7.6 阻挡层31 铜阻挡层金属要求： 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）允许铜有最小厚度，占据最大的横截面积。7.6 阻挡层327.7 硅化合物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。337.7 硅化合物钛/钛氮阻挡层金属金属钨钛硅化物接触硅衬底多晶硅栅钛硅化物

13、（多晶硅化物）接触场氧场氧SD347.7 硅化合物硅化物的形成通常要求把难熔金属淀积在硅片上，接着进行高温退火处理以形成硅化物材料。在有硅的区域，金属与硅反应形成硅化物。在硅片表面的其他区域，如表面是氧化硅，有很少或没有硅化物形成。 在一些硅化物中发现，硅迅速的扩散穿过硅化物。扩散发生在金属-硅化物-硅系统的热处理过程中，硅扩散穿过硅化物进入到金属中，这降低了系统的完整性。357.7 硅化合物一个可提供稳定接触结构、减小源和漏区接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。基本的自对准硅化物步骤：2. 钛淀积硅衬底1. 有源硅区场氧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Ti

14、Si2 形成 367.8 金属填充塞第一层金属和硅器件之间以及两层金属之间为了形成电通路，需要在ILD上开通孔用金属填充塞填充。目前被用于填充的最普通的金属是钨。钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力，钨可抗电迁徙引起的失效，因此被选做传统的填充材料，填充薄膜常常被称为钨填充薄膜）。377.8 金属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（介质）铝接触孔氧化硅（介质）现代金属化技术387.8 金属填充塞IC中的钨塞397.9 金属积淀

15、方式金属积淀方式： 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407.9 金属积淀方式-蒸发蒸发的工艺目的 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、高频感应加热等三种。在蒸发工艺中，本底真空通常低于 106Torr。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。41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

16、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7.9 金属积淀方式-蒸发42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。7.9 金属积淀方式-蒸发43 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

17、.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。7.9 金属积淀方式-蒸发44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7.9 金属积淀方式-溅射457.9 金属积淀方式-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

18、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。 467.9 金属积淀方式-溅射Exhauste-e-e-DC直流二极管溅射装置Substrate 1) 电场产生Ar+ 离子 2) 高能Ar+撞击靶材 3) 将金属原子从靶材中撞出.阳极 (+)阴极(-)Ar原子电场金属靶材等离子体 5) 金属淀积在衬底上 6) 用真空泵将多于物质从腔体中抽出4) 金属原子向衬底迁移Gas delivery+477.9 金属积淀方式-溅射

19、溅射过程+0高能量的Ar+离子被溅射出的金属原子金属原子阴极 (-)弹回的氩离子和自由电子复合形成中性原子487.9 金属积淀方式-溅射蒸发和溅射的比较特点优 点缺 点电子束蒸发1.成膜速率高（能蒸发5微米厚的铝膜）1.台阶覆盖差2.不能淀积合金材料磁控溅射1.能淀积复杂的合金材料2.能淀积难熔金属和非金属3.台阶覆盖好4.很好的均匀性控制1.成膜速率适中2.设备复杂昂贵49在铜互连方案引入之前，作为淀积通孔填充薄膜以及在第一层金属层与硅化物接触之间扮演接触填充物的过程，钨CVD被用于多层互连技术。基于其低电阻率，钨CVD也被用于局域互连。钨CVD具很好的台阶覆盖性和间隙填充，特别是高深宽比通孔的填充。钨CVD具良好的抗电迁移特性。WF6（气体）3H2（气体）W6HF（气体）7.9 金属积淀方式-CVD50具有Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨CVDTi2. 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3. 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7.9 金属积淀方式-CVD51铜CVD为淀积铜电镀所必需的薄种子层，铜CVD是具有潜力的工艺。种子层或触及电镀层是一层厚度约500到1000的