1、 陜西國防工業職業技術學院微電子產品開發與應用題 目IC制造各主要工藝技術之金屬化班 級 電子31313 姓 名 麻思源 學 號 31313124 教 師 張喜鳳老師 二一五年IC制造各主要工藝技術之金屬化一.金屬化的概念及作用在硅片上制造芯片可以分為兩部分：第一，在硅片上利用各種工藝（如氧化、CVD、摻雜、光刻等）在硅片表面制造出各種有源器件和無源元件。第二，利用金屬互連線將這些元器件連接起來形成完整電路系統。金屬化工藝（Metallization）就是在制備好的元器件表面淀積金屬薄膜,并進行微細加工，利用光刻和刻蝕工藝刻出金屬互連線，然后把硅片上的各個元器件連接起來形成一個完整的電路系統，

2、并提供與外電路連接接點的工藝過程。金屬化的作用金屬化在集成電路中主要有兩種應用： 一種是制備金屬互連線，另一種是形成接觸。1.金屬互連線2.接觸1)擴散法是在半導體中先擴散形成重摻雜區以獲得N+N或P+P的結構，然后使金屬與重摻雜的半導體區接觸，形成歐姆接觸。2)合金法是利用合金工藝對金屬互連線進行熱處理，使金屬與半導體界面形成一層合金層或化合物層，并通過這一層與表面重摻雜的半導體形成良好的歐姆接觸。二.分類半導體制造中對金屬材料的要求金屬化技術在中、小規模集成電路制造中并不是十分關鍵。但是隨著芯片集成度越來越高，金屬化技術也越來越重要，甚至一度成為制約集成電路發展的瓶頸。早期的鋁互連技術已不

3、能滿足高性能和超高集成度對金屬材料的要求，直到銅互連技術被應用才解決了這個問題。硅和各種金屬材料的熔點和電阻率見表1。為了提高IC性能，一種好的金屬材料必須滿足以下要求：1)具有高的導電率和純度。2)與下層襯底(通常是二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性。3)與半導體材料連接時接觸電阻低。4)能夠淀積出均勻而且沒有“空洞”的薄膜，易于填充通孔。5)易于光刻和刻蝕，容易制備出精細圖形。6)很好的耐腐蝕性。7)在處理和應用過程中具有長期的穩定性。表1.硅和各種金屬材料的熔點和電阻率(20°C)表1硅和各種金屬材料的熔點和電阻率(20°C)鋁與硅和二氧化硅一樣，鋁一直是半導體制造技

4、術中最主要的材料之一。從集成電路制造早期開始就選擇鋁作為金屬互連的材料，以薄膜的形式在硅片中連接不同器件。直至21世紀初期，為了進一步提高IC性能，在較高性能的超大規模集成電路（VLSI）中開始應用銅互連技術。但鋁在集成電路制造中地位仍然非常重要，選擇鋁作為金屬互連線是因為鋁具有以下優勢：1)較低的電阻率。2)鋁價格低廉。3)工藝兼容性。4)鋁膜與下層襯底(通常是硅、二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性鋁銅合金 前文介紹到鋁存在電遷徙問題。電流是通過導體內電子的移動產生的，電子在移動的過程中會與金屬原子發生碰撞。在大電流密度的情形下，大量電子對金屬原子的持續碰撞，會引起原子逐漸而緩慢的移動，這就

5、電遷徙現象。由于金屬原子質量遠遠大于電子的質量，通常在導體橫截面積較大的情況下，不會考慮電遷徙現象。但是由于互連線的特征圖形尺寸越來越細，這時候鋁互連電遷徙現象引發的問題就更加明顯。鋁原子的移動導致導體中某些位置原子的損耗，以至于產生空洞，最終引起互連線局部減薄或變細，直至產生斷路。在導體的其他區域，鋁原子堆積起來則形成小丘，外在表現為金屬薄膜表面鼓出，如果有過多或大量的小丘形成，可能會與毗鄰的連線短接在一起，如圖2所示。這些情況都是芯片在使用一段時間后才經常發生。遷徙已經變成影響芯片可靠性問題的重要因素，是集成電路中廣泛研究的失效機制問題之一。圖2 由電遷徙引起的鋁互連線斷路與短路現象銅1.

6、銅的優點1)更低的電阻率。2)減少了功耗。3)更高的互連線集成密度。4)良好的抗電遷徙性能。5)更少的工藝步驟。2.銅在實際實用中的一些難題1)銅在氧化硅和硅中的擴散率很高。2)銅很難被刻蝕。3)在小于200低溫的空氣中，銅很快被氧化，而且這一層氧化膜不會阻止銅進一步氧化。多層銅互連技術步驟流程蒸發在半導體制造早期，蒸發法是最主要的金屬淀積方法。然而為了獲得更好的臺階附覆蓋能力以及更高的淀積速率，從20世紀70年代的后期開始，在大多數硅片制造技術領域里濺射已經取代蒸發。盡管如此，在一些對薄膜臺階附覆蓋能力要求不太高的中小規模集成電路制造中仍在使用蒸發法淀積金屬薄膜。在封裝工藝中，蒸發也被用來在

7、晶片的背面淀積金，以提高芯片和封裝材料的粘合力。1. 加熱器 原理圖蒸發系統中的加熱方式2.片架3.真空系統1)準備。2)抽真空。3)基片加熱。4)蒸發。5)取片。濺射 濺射是物理氣相淀積（PVD）的另一種淀積形式。與蒸發一樣，也是一個物理過程，但是它對真空度的要求不像蒸發那么高，通入氬氣前后分別是10-7Torr和10-3Torr(1Torr=133322Pa)。濺射是利用高能粒子撞擊具有高純度的靶材料固體平板，按物理過程撞擊出原子，被撞出的原子穿過真空最后淀積在硅片上。1)濺射工藝適用于淀積合金，而且具有保持復雜合金原組分的能力。2)能獲得良好的臺階覆蓋。3)形成的薄膜與硅片表面的粘附性比

8、蒸發工藝更好。4)能夠淀積難熔金屬。5)具有多腔集成設備，能夠在淀積金屬前清除硅片表面沾污和本身的氧化層(被稱為濺射刻蝕)。1.濺射方法(1)直流二極濺射直流二極濺射是最早采用的濺射方法。(2)射頻濺射這種方法既可以淀積金屬，也可以淀積絕緣材料，是在大規模集成電路制造工藝中最常用的一種濺射類型。(3)磁控濺射直流濺射離化率低，射頻濺射離化率有提高，但不顯著。射頻濺射設備示意圖金屬CVD對于金屬薄膜，更多的是選擇物理氣相淀積（PVD）法進行淀積，即蒸發和濺射。然而，化學氣相淀積（CVD）工藝在獲得優良的等角臺階覆蓋和對高深寬比通孔無間隙式的填充等方面有著明顯的優勢。當器件的特征尺寸減小到015m

9、或更小時，金屬CVD的優勢更加突出。所以在某些金屬層結構中使用金屬CVD的方法進行淀積可以得到更好的效果，比如制備具有高深寬比的鎢塞和要求等角臺階覆蓋的薄銅種子層等。1.鎢CVD2.銅CVD傳統金屬化流程 傳統的互連金屬是鋁銅合金（99%鋁，1%銅），并用SiO2作為層間介質隔離層。以下是制備第二層金屬的傳統鋁互連技術的工藝流程。該過程中鋁被淀積為薄膜，然后被刻蝕掉（減去）以形成電路。第一層金屬1.第一層金屬(金屬1)2.通孔2的形成3.鎢塞2的形成形成通孔2 形成鎢塞24.淀積金屬25.刻蝕出互連線刻蝕金屬2雙大馬士革流程銅金屬化在各方面的性能比鋁更具優勢，半導體產業正在實現用銅做微芯片的互連材料。而傳統工藝中的干法刻蝕銅不能產生易揮發的副產物，因此銅不適合干法刻蝕。這個問題直接導致銅金屬化不能采用傳統的工藝流程進行。雙大馬士革工藝是通過層間介質刻蝕形成孔和槽，確定好線寬和圖形間距，然后將銅淀積至刻蝕好的圖形，再經過化學機械拋光除掉多余的銅。利用這種方法不需要金屬刻蝕而且通孔和引線同時被制備好。所以使用雙大馬士革法完成銅金屬化成為最佳選擇。1. 層間介質淀積 層間介質淀積2.金屬2的線槽刻蝕刻蝕金屬2的線槽2