集成电路制造工艺 课件 5金属淀积

金属淀积2

集成电路的各个组件制作完成后，需要按照设计要求将这些组件进行相应的连接以形成一个完整的电路系统，并提供与外电路相连接的接点，完成此项任务的就是金属布线。

金属化就是在组件制作完成的器件表面淀积金属薄膜，金属线在IC中传导信号，介质层则保证信号不受临近金属线的影响。金属化3金属化工艺的作用4金属铝互连5金属铝互连6金属铝互连7金属铝互连系统中的失效与改进891011金属铜互连12金属铜互连13最早用于集成电路制造的金属就是铝，室温下，铝的电阻率比铜、金、银的电阻率稍高，但是由于铜和银比较容易腐蚀，在硅和二氧化硅中的扩散率太高，这些都不利于它们用于集成电路的制造；另外，金和银的成本比铝高，而且与二氧化硅的粘附性不好，所以，也不常用。铝则能很容易的淀积在wafer上，而且刻蚀时分辨率较高，所以，铝作为首选金属用于金属化。

对于多层电极系统，由于铜具有更低的电阻率，已在逐步取代铝成为主要的互连金属材料。铝互连&铜互连14金属填充塞多层金属布线使得金属化系统中出现很多通孔，为了保证两层金属间形成电通路，这些通孔需要用金属塞来填充。用于制作栓塞的材料有很多种，但实用性较高，且已被集成电路制造广泛应用的是钨塞和铝塞。15金属淀积的方法

蒸发

溅射

金属CVD

金属淀积需要考虑的是如何在硅片表面形成具有良好的台阶覆盖能力、良好的接触以及均匀的高质量金属薄膜。物理气相淀积是金属淀积最常用的方法。物理气相淀积（PVD）指的是利用某种物理过程实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底（硅）表面上，并淀积形成薄膜。这一过程没有化学反应发生。金属淀积的方法

蒸发

台阶覆盖能力、粘附性较差PVD

溅射

台阶覆盖能力、粘附性好早期使用最广泛的是蒸发法，这种方法具有较高的淀积速率，所制备膜的的纯度较高。但是它固有的缺点又限制了在现今工艺中的应用，包括台阶覆盖能力和与衬底的粘附性较差、淀积多元化合金金属薄膜时成分难以控制。金属淀积的方法因此溅射法在超大规模集成电路制造中已基本取代蒸发法；但是在分立器件(二极管、三极管等)及要求不高的中小规模集成电路中蒸发还是被广泛应用。蒸发

原理蒸发：材料熔化时产生蒸气的过程。真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸气压进行薄膜制备。蒸发换句话说，蒸发就是指真空条件下加热蒸发源，将被淀积材料加热到发出蒸气，蒸气原子以直线运动通过腔体到达衬底（硅片）表面，凝结形成固态薄膜。因为真空蒸发法的主要物理过程是通过加热蒸发材料，使其原子或分子蒸发，所以又称热蒸发。蒸发优缺点优点设备简单操作容易、所制备的薄膜纯度较高、成膜速率快、生长机理简单等。缺点所形成薄膜与衬底附着力小，台阶覆盖能力差等。蒸发蒸发现阶段主要是用在小规模集成电路及分立器件制造中，另外也被应用在背面镀金上以便更好地提高欧姆接触以及芯片和封装材料的粘合力。真空蒸发设备MARK50真空蒸发设备北仪800系列镀膜机真空蒸发设备真空系统加热蒸发系统片架真空蒸发设备（1）真空系统：为蒸发过程提供真空环境。

真空蒸发过程必须在高真空的环境中进行，否则蒸发的原子或分子与大量残余气体分子碰撞，将使薄膜受到严重污染，甚至形成氧化物或者由于残余分子的阻挡难以形成均匀连续的薄膜。真空蒸发设备真空环境是由一套真空系统实现的，主要包括前级泵和高真空泵。前级泵主要是机械泵和罗茨泵等，用来对真空室进行粗抽；高真空泵主要有涡轮分子泵和冷泵等，用来实现真空室的高真空状态。真空蒸发设备（2）片架：用来放置硅片，一般可以放置数十片，所以蒸发工艺可以对硅片进行批量加工。片架的旋转方式主要是片架的“公转”加硅片的“自转”，两种方式同时工作，在硅片上形成厚度均匀的金属薄膜，并改善其台阶覆盖能力。片架及腔室内部构造真空蒸发设备片架（行星盘）（3）加热蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置。加热蒸发系统加热蒸发系统蒸发镀膜的方法1.电阻加热蒸发用难熔金属（如钨）制成舟状,将材料固定在加热舟上，当电流通过加热舟时材料被不断加热到熔点，蒸发出来形成薄膜，叫做电阻加热蒸发。主要用于某些易熔化、气化材料的蒸镀。蒸发工艺主要在背面淀积金是采用阻蒸的方法。Au蒸发镀膜的方法2.电子束蒸发电子束蒸发由发射高速电子的电子枪和使电子作圆周运动的均匀磁场组成。在电子枪中，通过对螺旋状灯丝加高压后发射高速电子形成电子束。电子束进入均匀磁场后受洛仑兹力作用而作圆周运动，使电子束准确地射到蒸发材料的表面。电子束蒸发装置电子束蒸发装置蒸发镀膜的方法电子束蒸发具有以下优点，是真空蒸发镀膜中最重要使用最广泛的方法。1）电子束蒸发可以使熔点高达3000℃以上的材料蒸发。2）被蒸发的材料是放在水冷的坩埚内，因而可避免容器材料的蒸发以及容器材料与蒸发材料之间的反应，可实现高纯度薄膜的淀积。3）热效率高，热量直接加热到蒸发材料的表面。蒸发的基本步骤和过程1.装片抽真空：将清洗干净的硅片装入反应室，前级泵先对真空反应室进行粗抽，再由高真空泵继续直到反应室达到预期的真空度。2.烘烤。对衬底进行加热，去除表面水汽等。

蒸发的基本步骤和过程3.蒸发镀膜。（1）蒸发过程：对蒸发源进行加热，使其温度达到蒸发材料的熔点，从固态变为蒸气。（2）输运过程：蒸发材料蒸气原子或分子在真空环境中由源飞向硅片。蒸发的基本步骤和过程（3）生长过程：飞到衬底表面的原子在表面上凝结生长成膜的过程。原子到达后将直接发生从气相到固相的相变过程，立即凝结在衬底表面上。4.降温后取片。蒸发的基本步骤和过程淀积速率通常用石英晶体速率指示仪测量，所用器件是一个谐振器板，当晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的质量将使得频率偏移，由测得得频率移动可得出淀积速率.

溅射在超大规模集成电路中，金属化要能填充高深宽比的孔，并且产生等角的台阶覆盖。然而蒸发最大的缺点是不能产生均匀的台阶覆盖，因此蒸发在现代VLSI生产中逐渐被溅射淘汰。溅射1.概念具有一定能量的入射粒子在对固体表面进行轰击时，入射粒子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动量的转移，并可能将固体表面的原子溅射出来，称这种现象叫溅射。在实际进行溅射时，通常是让被加速的正离子轰击作为阴极的靶，并从阴极靶溅射出原子，所以又称阴极溅射。2.溅射的原理Ar靶原子靶材形成金属膜套件磁铁DC电源加热器WaferAr+反应室溅射是物理气相淀积薄膜的另一种方法。高纯靶材料（纯度在99.999%以上）平板接地极称为阴极，衬底（硅片）具有正电势称为阳极。在高压电场作用下，真空腔内的氩气经过辉光放电后产生高密度的阳离子（Ar+），

Ar+被强烈吸引到靶材的阴极并以高速轰击靶材使靶原子溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并沿一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上的薄膜淀积。溅射与蒸发一样，也是一个物理过程。但是它对工作时的真空度不像蒸发那么高，通入氩气前后分别是10-7乇和10-3乇（1乇=133Pa）。溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即射向固体表面的离子都是来源于气体的辉光放电。所谓辉光放电实际上是低压气体中显示辉光的气体放电现象。一般情况下，气体基本处于中性状态，只有极少量的原子电离。在没有外场作用下，这些被电离的带电离子与气体分子一样在空间作杂乱无章的运动。当这些气体通入电压较高的两极间，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经碰撞过程产生更多的带电粒子，使气体导电，此放电过程呈现瑰丽的发光现象。溅射现象是在辉光放电过程中观察到的。在辉光放电过程中离子对阴极的轰击，可以使阴极的物质飞溅出来。

溅射的特性1.优点1）溅射工艺适用于淀积合金，而且具有保持复杂合金原组分的能力。比如我们最常用的溅射AlSiCu合金中靶材含有0.5%的Cu，那么淀积的薄膜也含有0.5%的Cu。2）在溅射过程中溅射出的原子将从溅射过程中获得很大的动能。由于能量的增加，可以改善台阶覆盖性以及薄膜与衬底的粘附性。并且由于溅射来自平面源且能从各个角度覆盖硅片表面，台阶覆盖度还可得到进一步优化。溅射的特性3）溅射不需考虑金属熔点问题，因而能够淀积难熔金属。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本身的氧化层。如果将硅片至于靶材位置，那么溅射系统就可起到清洗和刻蚀的作用，提高薄膜与硅片表面的粘附性。溅射的特性2.表征溅射特性的参量1）溅射阈值在集成电路制造中，采用溅射法制造的薄膜种类很多，所以需要的靶材种类也很多。对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于这个值就不会发生溅射现象。溅射阈值主要取决于靶材本身的特性。

溅射的特性2）溅射率溅射率也称溅射产额，是表征溅射特性最重要的一个参量。它表示正离子轰击作为阴极的靶材时，平均每个正离子能从靶材上打出的原子数目，就是被溅射出的原子数与入射离子数之比，用S（原子数/离子数）表示。

溅射的特性溅射率的大小与入射离子的能量、种类、靶材的种类、入射离子的入射角等因素有关。随着入射离子能量的增加，溅射率指数上升；但当能量超过一定值后，由于出现明显的离子注入现象而导致溅射率下降。溅射产额与入射离子能量的关系溅射的特性3.压力对溅射过程的影响气压降低，气体分子密度减小，辉光放电电离分子数也将减少，因而电流也将减小，溅射淀积率也将降低。另一方面，随着压力的增加，溅射出来的靶原子在向衬底运动过程中与气体分子碰撞的机会增加，使靶原子偏离，甚至返回靶材方向，重新淀积在靶上，导致溅射淀积率下降。溅射方法1.直流溅射直流溅射又称阴极溅射或直流二极溅射。二极是指一个阳极、一个阴极，靶材置于阴极处，基片置于阳极处。在阴阳两极加上1.5~1.7kV的直流电压，使室内的氩气辉光放电产生离子，从而达到溅射的目的。溅射方法2.射频溅射使用直流溅射可以很方便地溅射淀积各种金属薄膜，但前提之一是靶材应具有较好的导电性。若阴极是导体，由于电传导阴极表面保持负电位；若是绝缘体，阴极表面被轰击出的电子不能被补充。因此随轰击的进行阴极聚集大量正电荷，是阴阳两极表面电势减小；一旦小于支持放电值，放电现象马上消失。溅射方法对于导电性较差的材料的溅射，我们找到了另一种溅射方法——射频溅射。用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射系统，由于常用的交流电源的频率在射频段，所以称为射频溅射。溅射方法射频方法在溅射过程中可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位，这将导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。溅射方法自偏压效应辉光放电会产生离子和电子。在射频电场中电子的运动速度比离子的速度高很多，因而对一个既可以作为阴极又可以作为阳极的射频电极来说，它在正半周期内作为正电极接受的电子电量将比在负半周期作为负电极接受的离子电量多得多，靶材始终处于一个负电位吸引氩离子轰击靶材，从而实现对绝缘材料的溅射。溅射方法3.磁控溅射从以上讨论可以知道，溅射所需的气压较高，并且淀积速率也较低，气体分子对薄膜产生污染的可能性也较高。因而，磁控溅射作为一种淀积速率高、工作气体压力较低的溅射技术具有独特的优越性。磁控溅射3290磁控溅射台

溅射方法磁控溅射就是在靶材后面安装磁体，以俘获并限制电子在靶前面的活动。如后图，将磁铁装在靶后,由于阴极表面存在极强的磁场，电子受沃伦兹力的作用而被限制在阴极面上一个较窄的阴影区内进行螺旋运动,因提高了与气体分子的碰撞次数，增加了等离子体的密度，从而提高了溅射速率；溅射方法磁控溅射系统溅射方法磁控溅射中从阴极表面反射的二次电子由于受到磁场的束缚而不再轰击硅片，避免了硅片的升温及器件特性的退化；在电磁场作用下，提高了气体分子的离化度，所以在较低的气压下就可工作，同时也提高了膜的纯度。溅射方法4.其它溅射方法磁控溅射是现在使用最广泛的溅射方法。溅射方式还有反应溅射，离子束溅射，偏压溅射等等。

溅射所用的材料虽然铝在半导体镀膜工艺上被广泛应用，但是铝存在电迁移引起的可靠性问题。而铝铜合金当铜含量在0.5%到4%时期连线中的电迁移得到控制，因此现在溅射采用的靶材是铝硅铜合金:AlSiCu代替Al不仅可以满足前述要求，而且由于搀入了0.5%Cu后可以防止发生电迁移；搀入1%Si后可以防止Al尖楔造成的PN结失效。靶因离子轰击而慢慢被侵蚀，当大约50%或再多一点儿的靶被侵蚀掉时就要求换靶。溅射所用的材料溅射的一个基本方面是氩气被离化形成等离子体。氩被用作溅射离子，是因为它相对较重而且化学上是惰性气体，这避免了它和生长的薄膜或靶发生化学反应。如果一个高能电子碰撞中性的氩原子，碰撞电离外层电子，产生了带正电荷的氩离子。氩离子在等离子体中被阴极靶的负电位强烈吸引，轰击靶材料以便溅射。溅射的过程和步骤1.清洗蒸发和溅射前都必须进行硅片清洗以保证薄膜和衬底良好的接触。1）硅片表面污染来源有机物沾污：包括切、磨、抛工艺中的润滑油脂；石蜡、松香等粘合剂；手指分泌的油脂及光刻胶、有机溶剂的残留物等。金属离子、氧化物及其他无机物质：包括腐蚀液中重金属杂质离子的残留；各种磨料中的氧化物或金属离子；使用的容器、镊子、水中的金属离子沾污；各种气体、人体汗液等引入的杂质离子。其他可溶性杂质

溅射的过程和步骤2）清洗过程a、浓硫酸和双氧水=9：1的混合溶液作用：利用强酸性和强氧化性去除硅片表面的有机沾污和金属离子b、氢氟酸漂洗液（氢氟酸和水=20：1的混合溶液）作用：利用其能腐蚀二氧化硅的特点来腐蚀自然生成的氧化层。当然，如果设备自身条件达到，也可直接利用溅射法来进行清洗。溅射的过程和步骤注意清洗前要进行每日的溅铝点检，用四探针测量铝厚，并将数据输入SPC（统计过程控制）。2.清洗检查后将硅片装入溅射台进行镀膜。3.镀膜完成后检查表面是否均匀、是否有沾污等。

4.测量表面反射率。金属CVD物理气相淀积（PVD）被广泛应用于淀积金属薄膜。然而，化学气相淀积（CVD）在获得优良的台阶覆盖和高深宽比通孔的填充方面有着明显的优势。当特征尺寸减小到0.15μm下时优点更加突出。在某些金属层制备如高深宽比的钨塞和电镀前的铜层时具有更好的效果。1.钨CVD钨（W）因具有良好的的抗电迁移能力和导电性能，常被用于各种器件构造，以及MOS管的局部互连和通孔填充。在多层铝互连技术中，单个微芯片中数以亿计的通孔使用金属钨填充，工作性能稳定，是形成有效的多金属层系统的关键。1.钨CVD1.钨CVD溅射淀积钨的成本较低，但方向控制较差，使得钨淀积在通孔中不均匀，因而CVD成为淀积钨的首选方法。淀积钨前需淀积两层薄膜：钛膜和氧化钛膜。钛膜能有效降低接触电阻，通常使用溅射法淀积；氧化钛能保证钨和下层材料之间良好的粘附性，常使用CVD淀积保证良好的台阶覆盖。1.钨CVD钨塞成长使用LPCVD工艺。金属钨的电阻率较高(如：钨５.３～１２；铝２.６～３.７)，并且金属钨不易于图形化，所以一般钨只作为连接两层金属间的插塞，或作为金属布线与晶体管电极之间连接的插塞，而不是作为整条布线。2.铜CVD铜CVD最普遍的应用是在铜电镀制备铜互连线之前淀积一层薄种子层。为了获得良好的铜互连线，有良好的台阶覆盖并且连续没有空洞的铜种子层时至关重要的，而CVD法具有的优势使其作为淀积铜种子层的主要方法。电镀电镀（ECP）是工业上传统的镀膜工艺之一。本节以铜电镀为例进行介绍，铜电镀工艺具有成本低、工艺简单、无需真空支持、增大电流可提高淀积速率等优点，成为现代铜互连薄膜淀积的主要工艺。电镀铜电镀工艺是采用湿法化学品和电流将靶材上的铜离子转移到硅片表面的过程。铜电镀系统由电镀液、脉冲直流电源、铜靶材（阳极）和硅片（阴极）等组成。电镀液由硫酸铜、硫酸和水组成，呈淡蓝色。电镀Cu2++2e→Cu电镀当电源加在铜靶和硅片之间时，溶液中产生电流并形成电场。铜靶（阳极）中的铜发生化学反应转化成铜离子，并在外加电场的作用下向硅片（阴极）定向移动。到达硅片时，铜离子与阴极的电子反应生成铜原子并镀在硅片表面。除了铜电镀外，常用到银电镀。金属化质量控制膜厚的测量反射率的测量均匀性的测量1.膜厚的测量金属膜常用四探针进行测量。1.方块电阻计算导电薄膜的一种最实用的方法是测量方块电阻R□。L薄层电阻R=ρL/A=ρL/（wt）t对于正方形的薄层电阻，R=ρ/t=R□从上可以看出，方块电阻只与薄膜材料和厚度有关。w1.膜厚的测量2.四探针法从R□=ρ/t可知，如果测出方块电阻的值，而薄膜电阻率已知，即可计算出膜厚。在半导体制造中，四探针法被广泛应用。四探针法是把4个在一条线上的探针等距离放置并接触硅片。在外面的两根探针之间施加已知电流，可测得里面两根探针之间形成的电压。R□=4.53U/I

A

U

2.反射率的测量