集成电路制造工艺（中篇共上中下3篇）

多晶硅和其他介质膜的CVD法CVD化学气相淀积定义：指使一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。其英文原名为“ChemicalVapourDeposition”，简称为“CVD”。可用于淀积导体（金属）、半导体、介电材料等。2半导体薄膜：Si介质薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，…金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，…在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成单晶薄膜：Si,SiGe（外延）多晶薄膜：poly-SiDeposition31）化学气相淀积—ChemicalVaporDeposition(CVD)一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理气相淀积—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。例如：蒸发evaporation，溅射sputtering两类主要的淀积方式4除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electrolessplating/electroplating5CMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料多晶硅薄膜的应用6ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,20017对薄膜的要求组分正确，玷污少，电学和机械性能好片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好3.台阶覆盖性好（conformalcoverage—保角覆盖）填充性好平整性好

8化学气相淀积（CVD）单晶(外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜半导体、介质、金属薄膜常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD(LPCVD)，等离子体增强淀积（PECVD）等CVD反应必须满足三个挥发性标准在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的淀积物本身必须具有足够低的蒸气压9(1)反应剂被携带气体引入反应器后，在衬底表面附近形成“滞留层”，然后，在主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面(2)反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应(3)化学反应生成的固态物质，即所需要的淀积物，在硅片表面成核、生长成薄膜(4)反应后的气相副产物，离开衬底表面，扩散回边界层，并随输运气体排出反应室化学气相淀积的基本过程10例如：热分解SiH4，SiH4=Si（多晶)+2H2(g)，

SiH4+O2=

SiO2（薄膜）+2H2CVD薄膜：SiO2、Si3N4、PSG、BSG（绝缘介质）、多晶硅、金属（互连线/接触孔/电极）、单晶硅（外延）CVD系统：常压CVD（APCVD）低压CVD（LPCVD）等离子CVD（PECVD）CVD工艺特点：

（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成;设备简单，重复性好；（2）薄膜的成分精确可控、配比范围大；（3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃数毫米。且能大量生产；（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。产生化学反应的能源：热CAD、等离子体CAD(低温)、光学激发CVD(低温)化学气相淀积过程

1、反应气体向硅片附近的输运

2、气体产生中间物质分子

3、所产生的反应物输运到硅表面

4、表面反应释放出硅（淀积到表面）

5、气体副产物被释放

6、副产物从硅表面外运

7、副产物离开反应器6.1CVD模型6.1.1CVD的基本过程①传输：反应剂从气相经附面层（边界层）扩散到（Si）表面；②吸附：反应剂吸附在表面；③化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产物；④淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；⑤脱吸：副产物脱离吸附；⑥逸出：脱吸的副产物从表面扩散到气相，逸出反应室。CVD反应式中气体流动情况CVD模型

边界层理论CVD气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞性；平流层：主气流层，流速Um均一；边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层；泊松流（PoisseulleFlow）：沿主气流方向（平行Si表面）没有速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度的流体；

边界层理论边界层厚度δ（x）：流速小于0.99Um的区域；

δ（x）=（μx/ρU)1/2μ-黏滞系数，x-距基座边界的距离，ρ-密度，U-边界层流速；平均厚度Re=ρUL/μ，雷诺数（无量纲）：惯性力/黏滞力雷诺数取值：<200，平流型；商业CVD：50-100；>200，湍流型（防止）。

Grove模型①假定边界层中反应剂的浓度梯度为线形近似，则流密度为：F1=hg(Cg-Cs)hG-气相质量转移系数，CG-主气流中反应剂浓度，

CS-表面处反应剂浓度；②表面的化学反应速率正比于Cs，则流密度为：F2=ksCs③平衡状态下，F=F1=F2，则

Cs=Cg/(1+ks/hg)Grove模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节：①反应剂在边界层的输运过程；②反应剂在衬底表面上的化学反应过程。Grove模型

Cs=Cg/(1+ks/hg)④两种极限：a.hg>>

ks时，

Cs→Cg

，反应控制；b.hg<<

ks时，

Cs→0，扩散控制；⑤薄膜淀积速率G的一般表达式设形成一个单位体积薄膜所需的原子数为N1，（Si：N1=5x1022cm-3；），则稳态下（平衡状态）,由

F=F1=F2，F2=ksCs

及Cs=Cg/(1+ks/hg)，得

G=F/N1=F2/N1=[kshg/(ks+hg)](Cg/N1)其中，Cg=YCT,(多数CVD过程，反应剂被稀释)Y-反应剂的摩尔百分比，CT-分子总数/cm3；一般表达式：G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y，（Cg=YCT）

两个结论：

a.G与Cg(无稀释气体）或Y（有稀释气体）成正比；

b.当Cg或Y为常数时，G由ks、hg中较小者决定：hg>>

ks，G=（CTksY)/N1，反应控制；hg<<

ks，G=（CThgY)/N1

，扩散控制；影响淀积速率的因素①主气体流速Um∵G=（CThgY)/N1（扩散控制），hg=Dg/δs=，以及Re=ρUL/μ，U≤0.99Um，∴结论：扩散控制的G与Um1/2与成正比

提高G的措施：a.降低δs：缩小基座的长度L；b.增加Um：但Um增大到一定值后→hg>>

ks→转为反应控制→G饱和。6.1CVD模型②淀积速率与温度的关系低温下，hg>>

ks，反应控制过程，故

G与T呈指数关系；高温下，hg<<

ks，质量输运控制过程，

hg对T不敏感，故

G趋于平稳。6.2CVD系统CVD系统的组成

①气体源：气态源和液态源；

②气路系统:气体输入管道、阀门等；

③流量控制系统：质量流量计；

④反应室：圆形、矩形；

⑤基座加热系统：电阻丝、石墨；

⑥温度控制及测量系统6.2CVD系统6.2.2质量流量控制系统1.质量流量计作用：精确控制气体流量（ml/s)；操作：单片机程序控制；2.阀门作用：控制气体输运；化学淀积方法及设备简介化学淀积方法:1.常压化学气相淀积APCVD2.低压化学气相淀积LPCVD3.等离子化学气相淀积PCVD6.2.4CVD技术1.APCVD定义：气相淀积在1个大气压下进行；淀积机理：气相传输控制过程。优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便；缺点：均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反应，产生微粒污染。淀积薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。常压化学气相淀积特点特点:用于SiO2的淀积SiH4+O2=SiO2+H2Oφ100mm：10片，φ125mm:8片Time:15minTemp:380～450℃±6℃厚度均匀：<±5％6.2.4CVD技术2.LPCVD定义：在27－270Pa压力下进行化学气相淀积。淀积机理：表面反应控制过程。优点：均匀性好（±3－5％，常压：±10％）；台阶覆盖好；效率高、成本低。缺点：淀积速率低；温度高。淀积薄膜：poly-Si、Si3N4、SiO2、PSG、BPSG、W等。低压化学气相淀积应用情况多晶硅：SiH4/Ar(He)620℃Si3N4:SiH2Cl2+NH3750~800℃PSG:SiH4+PH3+O2450℃BSG:B2H6+O2450℃SiO2:SiH2Cl2+N2O910℃6.2.4CVD技术3.PECVD（等离子体增强化学气相淀积）淀积原理:RF激活气体分子（等离子体），使其在低温（室温）下发生化学反应，淀积成膜。淀积机理：表面反应控制过程。优点：温度低（200－350℃）；更高的淀积速率；附着性好；台阶覆盖好；电学特性好；缺点：产量低；淀积薄膜：金属化后的钝化膜（Si3N4

）；多层布线的介质膜（Si3N4

、SiO2）。二、各种CVD方法等离子体化学气相淀积等离子体化学气相淀积PCVD或PECVD：Plasma-enhancedCVD等离子体增强化学气相淀积，是反应气体从辉光放电等离子场中获得激活能，激活并增强化学反应，从而实现化学气相淀积的技术。特点：温度低200~350℃，适用于布线隔离Si3N4:SiH2Cl2+NH3PSG:SiH4+PH3+O2

6.3CVD多晶硅6.3.1多晶硅薄膜的特性

1.结构特性

①由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级）组成；主要生长方向（优选方向）－－<110>。

②晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。

2.物理特性：扩散系数明显高于单晶硅；

3.电学特性①电阻率远高于单晶硅；②晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。6.2.4CVD技术6.3.2CVD多晶硅工艺：LPCVD；气体源：气态SiH4；淀积过程：

①吸附：SiH4（g)→SiH4（吸附)②热分解：SiH4（吸附)=SiH2（吸附)+H2(g)SiH2（吸附)=Si（吸附)+H2（g)③淀积：Si（吸附)=Si（固)④脱吸、逸出：SiH2、H2脱离表面，逸出反应室。总反应式：SiH4（吸附)=Si（固体)+2H2(g)6.3CVD多晶硅特点：①与Si及SiO2的接触性能更好；②台阶覆盖性好。缺点：SiH4易气相分解。用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。多晶硅掺杂①扩散：电阻率低；温度高；②离子注入:电阻率是扩散的10倍；③原位掺杂：淀积过程（模型）复杂；实际应用6.4CVD二氧化硅6.4CVD二氧化硅6.4.1CVDSiO2的方法1.低温CVD①气态硅烷源硅烷和氧气：APCVD、LPCVD、PECVD

淀积机理:SiH4+O2~400℃

SiO2（固）+H2硅烷和N2O（NO）：PECVD

淀积机理:SiH4+N2O200-400℃

SiO2+N2+H2O原位掺P：形成PSG

淀积机理:PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2

6.4CVD二氧化硅

优点：温度低；反应机理简单。缺点：台阶覆盖差。②液态TEOS源：PECVD淀积机理：Si(OC2H5)4+O2

250-425℃SiO2+H2O+CXHY优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。缺点:SiO2膜质量较热生长法差；

SiO2膜含C、有机原子团。

6.4CVD二氧化硅2.中温LPCVDSiO2温度：680-730℃化学反应：Si(OC2H5)4

→SiO2+2H2O+4C2H4优点：较好的保形覆盖。6.4CVD二氧化硅6.4.2台阶覆盖保形覆盖：所有图形上淀积的薄膜厚度相同；也称共性（conformal）覆盖。覆盖模型：

①淀积速率正比于气体分子到达表面的角度；

②特殊位置的淀积机理：

a直接入射b再发射c表面迁移6.4CVD二氧化硅保形覆盖的关键：①表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比；②再发射6.4CVD二氧化硅6.4.3CVD掺杂SiO21.PSG工艺：原位掺杂PH3；组分：P2O5和

SiO2；磷硅玻璃回流（P-glassflow）工艺：PSG受热变软易流动，可提供一平滑的表面；也称高温平坦化（100-1100℃）2.BPSG工艺：原位掺杂PH3

、B2H6；组分：B2O3-P2O5-SiO2；回流温度：850℃；6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的用途：

①最终钝化膜和机械保护层；

②掩蔽膜：用于选择性氧化；

③DRAM电容的绝缘材料；

④MOSFETs中的侧墙；

⑤浅沟隔离的CMP停止层。

6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的特性：①扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；②对底层金属可保形覆盖；钝化层③针孔少；④介电常数较大：(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2)不能作层间的绝缘层。6.5CVDSi3N4CVDSi3N4薄膜工艺1.LPCVD①反应剂：SiH2Cl2+NH3→Si3N4+H2+HCl②温度：700-900℃；

③速率：与总压力（或pSiH2Cl2)成正比；

④特点：密度高；不易被稀HF腐蚀；化学配比好；保形覆盖；

⑤缺点：应力大；6.5CVDSi3N42.PECVD①反应：SiH4+NH3（N2）

→SixNyHz+H2②H的危害：阈值漂移H危害的解决：N2代替NH3③温度：200-400℃；6.6金属的CVD常用的CVD金属薄膜：

Al、W、Ti、Cu6.6.1钨的CVDW的特性：①热稳定性高：熔点3410℃；②应力低：③保形覆盖好；④抗电迁移强；⑤耐腐蚀。6.6.1钨的CVDW的缺点：①电阻率低：是Al的一倍；②在氧化物和氮化物上的附着性差：选择性淀积；W的用途：①特征尺寸小于1μm的接触孔和通孔填充；②局部互连；6.6.1钨的CVD1.CVDW的化学反应W源：WF6（沸点17℃,易输送、控制流量）WF6与Si：2WF6+3Si→2W(s)+3SiF4(g)特性：反应自停止；WF6与H2：WF6+H2→W（s)+6HF(g)WF6与SiH4：2WF6+3SiH4→2W+3SiF4+6H22.覆盖式CVDW与回刻覆盖式淀积：在整个Si片上淀积；回刻（反刻）：去除多余的W；6.6.2硅化钨的CVDCVDWSi2薄膜的应用：

①形成polycide多层栅；

②IC存储器中的字线与位线；

③覆盖式钨的附着层。化学反应：WF6+2SiH4→WSi2+6HF

+H2实际化学式:WSix，x>2；工艺条件：增大SiH4的流量；其他金属CVD（自学）6.6.3TiN的CVD6.6.4Al的CVD金属淀积68

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69金属化工艺的作用70金属铝互连71金属铝互连72金属铝互连73金属铝互连系统中的失效与改进74757677金属铜互连78金属铜互连79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80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。81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.反射率的测量镜面反射率直接表征了金属膜的表面光滑度，金属表面越光滑，反射率越高；但是如果反射率过高，对后续的光刻加工非常不利。平滑的金属连线对VLSI加工工艺而言至关重要，一般要求反射率在60%以上。3.均匀性的测量均匀性是指硅片上的薄膜厚度、反射率或薄膜电阻等参数的分布情况。这里所需测量的均匀性主要是指膜厚的片间及片内均匀性。新型金属化流程半导体制造技术中金属互连正经历根本性的变化。在某些高性能的IC芯片中，传统的铝金属化技术正逐渐被铜取代。铜金属化的引入将改变传统的金属化流程，取而代之的是新型的双大马士革法制备铜互连线的工艺流程。新型金属化流程传统工艺中的干法刻蚀铜不能产生易挥发的副产物，因而铜金属化不能传统工艺流程进行。双大马士革工艺是通过层间介质刻蚀形成孔和槽，确定好线宽和图形间距。然后将铜淀积至刻蚀好的图形，再经过化学机械抛光去除多余的铜。双大马士革工艺注：ILD指inter-leveldielectric层间介质

新型金属化流程对铜金属化应用双大马士革法最重要的原因是避免了金属刻蚀。与传统的铝金属化比较，双大马士革法不仅使工艺步骤减少了20%~30%，而且排除或减少了传统铝互连金属中包括铝的光刻刻蚀等易出异常的步骤。小结金属薄膜淀积的目的是在芯片上形成良好的互连线，然后把硅片上的各个元器件连接起来形成一个完整的电路系统，并且提供与外电路连接的电极。金属薄膜最常用的方法是蒸发和溅射，还有金属CVD和电镀；溅射已经取代蒸发成为现代金属淀积最主要的工艺之一。小结用CVD法淀积钨和铜具有良好的均匀性和填充能力。制造铜金属连线常采用电镀法。使用双大马士革法成为铜金属化的最佳流程选择。思考题1.物理气相淀积最常用的是哪两种方法？2.简述蒸发工艺的原理，说明其优缺点。3.简述溅射工艺的原理，说明其特点。4.金属化后有哪些最重要的参数需要进行质量控制？5.解释双大马士革工艺与传统互连线制作的不同之处。第十一章金属化Actualcross-sectionofamodernmicroprocessorchipfromIBM

WCu

金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上淀积金属薄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。金属线被夹在两个介质绝缘层中间形成电整体。关键术语和概念互连（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：指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属层间形成电连接。多层金属化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)初始金属接触多层铜互连11.1金属类型

对一种合适的金属材料的要求是：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的结构和组分（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。

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。

在硅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●金属填充塞硅与常用金属化材料性质对比(at20°C)MaterialMeltingTemperature(°C)Resistivity(mW-cm)Silicon(Si)1412»109DopedPolysilicon(DopedPoly)1412»500–525Aluminum(Al)6602.65Copper(Cu)10831.678Tungsten(W)34178Titanium(Ti)167060Tantalum(Ta)299613–16Molybdenum(Mo)26205Platinum(Pt)17721011.1.1铝

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2.65μΩ-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。

铝互连ILD-4ILD-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-3

为了在铝和硅之间形成接触，在惰性气体或还原的氢气环境中，在400到500℃之间加热。这个加热烘烤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。欧姆接触有很低的电阻，其接触界面的伏—安特性曲线满足欧姆定律。

用铝作为互连金属在浅结时，在加热过程中会出现结“穿通”现象。实质上就是铝和硅之间出现了不希望出现的反应，该反应导致接触金属和硅形成微合金，如果纯铝被加热到450℃，硅将开始溶解在铝中并达到一定的浓度，硅片中随后留下了空洞，铝就顺着空洞下去直至穿通结（见图14.2）。结穿通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。结穿通结短路浅结11.1.2铝铜合金

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。然而铝有众所周知的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（GrainBoundary）发生，晶粒边界与电流方向平行时，电迁移效果最为明显。

电子风作用模型与效果电迁移效应导致的孔洞和凸起物

图：（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平均失效时间（MTF）电迁移引起的一个半导体失效的平均时间（MTF）可以与电流密度J和激活能Ea联系起来：实验表明，对于淀积的铝膜，Ea约为0.5eV，铝单晶自扩散的特征激活能约为1.4eV。

由铝和铜形成的合金，当铜的含量在0.5%到4%之间时，其连线中的电迁徙得到控制。而实验也表明，铜的含量超过8%时，电迁徙将增加。11.1.3铜

在IC设计和制造中，由于铜互连技术的引入，铜互连线将取代铝金属化。当硅片制造的设计规则降到0.15微米线宽或更低时，在芯片上器件集成密度增加，允许更多的电信号从器件到器件快速传递。高密度使得芯片的性能被改善，然而芯片改进只有在器件之间的互连系统被优化后才有可能实现。

IC互连金属化引入铜的优点是：1.电阻率的减小；2.减少了功耗；3.更高的集成密度；4.良好的抗电迁徙性能；

5.更少的工艺步骤

。

早期的器件制造不选用铜做互连金属，因为铜有致命的缺陷，主要是：1.铜很快扩散进氧化硅和二氧化硅；2.应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图形；3.空气中极易氧化，并且不会生成保护膜阻止进一步氧化。4.铜跟二氧化硅粘附性差。11.1.4阻挡层金属

提高欧姆接触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扩散或结穿通的问题。阻挡金属层是淀积金属或金属塞，作用是阻止层上下的材料互相混合（图14.3）。用于铜互连结构的阻挡层阻挡层金属铜

可接受的阻挡层金属的基本特性是：

1.有很好的阻挡扩散特性，结果分界面两边材料（如钨和硅）的扩散率在烧结温度时很低；2.高电导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.在很薄且高温下具有很好的稳定性；6.抗侵蚀和氧化。

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。

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。

对铜来说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.允许铜有最小厚度，占据最大的横截面积。铜阻挡层金属需要满足的条件11.1.5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(图14.4)。如果难熔金属和多晶硅反应，那么它被称为多晶硅化物（见图14.5）。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500µΩ-cm），正是这导致了不应有的RC信号延迟。硅接触上的难熔金属硅化物钛/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（多晶硅化物）接触场氧场氧SD多晶硅上的多晶硅化物钛多晶硅化物钛硅化物多晶硅栅掺杂硅

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。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显示在图14.6中。自对准金属硅化物的形成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TiSi2形成硅化物由TiSi2向NiSi的转变TiSi2，随着接触层减薄电阻率增加迅速。热消耗过高，烧结工艺为800摄氏度。CoSi，烧结温度为750摄氏度。硅消耗高。NiSi烧结温度为350－500摄氏度。11.1.6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（见图14.7）。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（介质）铝接触孔氧化硅（介质）现代金属化技术IC中的钨塞SiO211.2.3金属CVD一．钨CVD

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。良好的抗电迁移特性。WF6（气体）＋3H2（气体）——W＋6HF（气体）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PECVDSiO21.层间介质通孔刻蚀3.CVDTiN等角淀积TiN4.CVD钨淀积钨通孔薄膜5.钨平坦化钨填充薄膜二.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1000Å的薄层并淀积在扩散阻挡层顶部。对于成功的电镀而言，沿着侧壁和底部，种子层连续的、没有针孔和空洞是至关重要的。如果种子层不连续，就可能会在电镀的铜中产生空洞。

铜CVD

2Cu1＋（hfac）(TMVS)（气体）→Cu0（固体）＋Cu2＋(hfac)(气体）＋2TMVS（气体）Cu（hfac）2（气体）＋H2（气体）——Cu0（固体）＋2H（hfac）（气体）11.2.4铜电镀

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，这个溶液包含需要被淀积的铜。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。电流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发生以淀积铜金属：

Cu2++2e-→Cu0

电镀铜原理示意图

电镀设备实物图选择电镀铜工艺的原因具有良好的台阶覆盖（stepcoverage）和孔隙填充（trenchfilling）性能。与低K介质兼容。与其他工艺相比，产生的铜晶粒更大。PVD(溅射)和电镀铜的孔隙填充能力对比电镀铜的孔隙填充过程电镀铜的孔隙填充电迁移效应对比：CVD和电镀铜电镀铜具有更强的抗电迁徙能力，因为其拥有更大的晶粒结构晶粒边界散射【附】IntelStrainedSiliconfor65nmTech

IntelStrainedSiliconTech

通过在松弛的锗化硅表面外延一层单晶硅，由于硅和锗化硅的晶格匹配失常，单晶硅受到下方锗化硅的拉应力，从而晶格被拉伸。11.3金属化方案11.3.1传统的铝结构

传统的互连金属是铝铜合金，并用SiO2作为层间介质隔离金属层。传统铝互连技术过程被看作一个铝减去过程，因为铝被淀积为无图形薄膜，然后被刻蚀掉（减去）以形成电路。确定铝互连线的宽度和间隔的关键步骤是金属刻蚀，SiO2被淀积进连线之间狭窄的间隙。11.3.2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。因为铜不适合用于干法刻蚀，传统工艺流程不采用铜金属化。为了最大限度的减小铜扩散到硅中，铜也有它自己的特殊要求。为了形成铜互连金属线，应用双大马士革方法以避免铜的刻蚀。在大马士革过程中，不再需要金属刻蚀确定线宽和间隙，而需要介质刻蚀。传统金属化vs.大马士革法传统互连工艺流程OxideVia-2etchTungstendeposition+CMPMetal-2deposition+etchCapILDlayerandCMP双大马士革流程CapILDlayerandCMPNitrideetch-stoplayer(patternedandetched)SecondILDlayerdepositionandetchthroughtwooxidelayersCopperfillCopperCMP双大马士革方法：

对铜金属化应用大马士革法最重要的原因是避免Cu刻蚀。大马士革处理方法的第二个优点是在刻蚀好的金属线之间不再需要填充介质间隙，因为介质用作垫层，然后被刻蚀。双大马士革法:制造步骤少。步骤工艺简单。铝刻蚀钨抛光步骤多——出错概率增大——成本增加工艺线直击——金属化【附】：碳纳米管：诱人的互连替代技术铜互联的局限性：随着铜导线宽度的减小，铜的电阻率相对于其体材料值显著上升；更细的导线会导致电迁移的可能性变大。

碳纳米管（CarbonNanoTube，CNT）将在未来的芯片互连制造中扮演重要的角色。CNT具有许多独特的性能，包括负载超过109A/cm2的高密度电流的能力，这比常规导线约高三个数量级；超高的热传导率，以及非常好的机械强度，而且还不会发生电迁移。CNT生长工艺石英管熔炉中化学气相淀积。首先在Si衬底上热氧化生长500nm的SiO2以用于CNT束的生长；接着在表面用Ti/Au薄膜制备选择性掩膜；然后在800℃下将衬底暴露在二茂络铁（催化剂）和二甲苯（碳源）的混合蒸汽中。在SiO2表面上会生长出垂直排列的CNT，而在Au/Ti表面上则不会，这样Au/Ti图案就可以定义出CNT束所需的形状。

纳米碳管致密化然后将刚生成的CNT束浸入异丙醇（IPA）中。在室温和大气条件下，IPA溶剂会逐渐蒸发而变干。IPA的蒸发会使液面高度逐步降低，这相当于从液体浴中慢慢提起CNT束。由于毛细管作用力的影响，CNT会彼此靠近，并在范德华力的作用下相互粘结。

致密化前后的纳米碳管SEM小结金属化的术语和概念。互连常用金属类型。互连工艺对金属材料的要求。铝的电迁移效应。铜应用于互连技术的优点，铜电铸工艺。双大马士革工艺。Test列出二氧化硅在芯片制造工艺中的用途。列出工艺中薄膜应该具有的8个特性。薄膜制备外延膜制备——外延工艺氧化膜制备——氧化工艺多晶硅和其他介质膜制备——CVD工艺金属膜制备——PVD工艺厚膜和薄膜薄膜集成电路是将整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件以及它们之间的互连引线，全部用厚度在1微米以下的金属、半导体、金属氧化物、多种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜，并通过真空蒸发、溅射和电镀等工艺制成的集成电路。厚膜集成电路是在陶瓷片或玻璃等绝缘物体上，外加晶体二极管、晶体管、电阻器或半导体集成电路等元器件构成的集成电路，一般用在电视机的开关电源电路中或音响系统的功率放大电路中。部分彩色电视机的伴音电路和末级视放电路也使用厚膜集成电路。区别有两点：1.膜厚。厚膜电路的膜厚一般大于10μm，薄膜的膜厚小于10μm，大多处于小于1μm；2.制造工艺。厚膜电路一般采用丝网印刷工艺，薄膜电路采用的是真空蒸发、磁控溅射等工艺方法。薄膜集成电路薄膜制备第一讲外延膜的制备外延(epitaxy)：来源于希腊语epi——upon在上面taxy——arranged安排外延定义在单晶衬底上生长一薄层有一定要求的、与衬底晶向相同的一单晶膜的技术。指在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上；在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度晶格完美的新单晶层的生成过程。外延生长的最终目的是：沉积一层缺陷少，且可控制厚度及掺入杂质的单晶薄膜。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，称为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。正向外延/反向外延同质外延/异质外延InPBufferLowerWaveguideMQWUpperWaveguideInPProtectorInPSubstrate非CVD技术等离子增强CVD（PECVD)化学气相沉积（CVD）技术外延生长快速热处理CVD（RTCVD)金属有机物CVD（MOCVD)超高真空CVD（UHVCVD)激光、可见光、X射线辅助CVD分子束外延离子束外延成簇离子束外延液相外延外延的作用制作双极晶体管的埋层改善双极晶体管的性能，解决高频功率器件的击穿电压与集电极串联电阻对集电区电阻率要求之间的矛盾CMOS电路一般制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；减少硅抛光片表面的微缺陷、表面粗糙、表面或靠近表面处的SiOx沉积等；这样可以避免硅氧化介质层的不完整，减少漏电流，避免闩锁效应。外延的作用N阱工艺中的闩锁效应（Latch-Up）闩锁效应（Latch-Up）闩锁效应电路模型外延生长与掺杂技术的目的类似，都是形成具有一定导电类型和杂质浓度的半导体层，其质量要求主要有下面几条：1、具有一定的厚度，且厚度均匀。2、掺杂浓度(表现为电阻率)均匀并符合设计要求。3、位错、层错、麻坑、雾状缺陷、伤痕等缺陷尽量少4、杂质分布满足要求。外延层质量要求外延生长分类同质外延：外延层和衬底为同一材料。异质外延：外延层和衬底是不同的材料。按反应室形状：卧式反应室、立式反应室按生长环境状态：气相外延/液相外延/固相外延新发展起来的外延技术：低压外延——减少自掺杂效应选择外延——改进器件隔离，多采用SiO2为选择性生长的掩膜SOS技术——SilicononSapphire/Spinel(蓝宝石/尖晶石）气相外延（VPE，也叫热CVD）：利用硅的气态化合物或液态化合物的蒸汽在衬底表面进行化学反应生成单晶硅。是一种在IC制造中最普遍采用的硅外延工艺。能在含有外延生长所需原子的化合物的气相环境中，通过一定方法获取外延生长所需原子，使其按规定要求排列而生成外延层。其时也可以说是一种薄膜淀积。

APCVD,

LPCVD,PECVD,MOCVD,MBE等固相外延：应用于离子注入后的退火过程，使产生的非晶区在低温退火过程中通过固相外延转化为晶体；液相外延：由液相直接在衬底表面生长外延层的方法。一种比较粗糙的方法是把熔融的半导体物质注入底层上，经过一段时间后结晶，然后把多于的液体去除。wafer的表面可以重新研磨抛光形成外延层。很明显这个liquid-phaseepitaxy的缺点是重新研磨的高成本和外延层厚度精确控制的难度。分子束外延（MBE：molecularbeamepitaxy）：这是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低(400-800℃)，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子阱微结构材料。

水平卧式反应室立式反应室MOCVD/MOVPEMetalorganicChemicalVaporDepositionAIXTRON200MOCVD设备由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理和安全防护报警系统以及自动操作及电控系统等组成；

源材料多为易燃、易爆、毒性大的物质；

反应室种类有立式和卧式两种，加热方式有高频感应加热和辐射加热之分，工作气压有常压和低压之分；MOCVD的操作可以由电脑自动控制，也可手动控制；自动控制操作需要专门的配套PC机，存有各种不同生长程序的特定软盘。MOCVD氢气和氮气纯化器MOCVD金属有机源（在恒温槽中）特气柜（AsH3SiH4PH3

）MOCVDSiH4气路结构MOCVDMANYFOLD(多路控制器)MOCVD生长室门及导