第七章金屬化第七章金屬化7.1引言

金屬化是芯片制造過程中在絕緣介質膜上淀積金屬膜以及隨后刻印圖形以便形成互連金屬線和集成電路的孔填充塞的過程。金屬化是化學氣相淀積、濺射、光刻、刻蝕、化學機械平坦化等單項工藝的工藝集成。

7.1引言金屬化是芯片制造過程中在絕緣介質膜金屬化連接接觸孔金屬化連接接觸孔

芯片金屬化技術術語1.互連指導電材料如鋁、多晶硅或銅制成的連線用以傳輸電信號2.接觸是指硅芯片內的器件與第一金屬層之間在硅表面的連接3.通孔是穿過各層介質層從某一金屬層到相鄰的另一金屬層形成電通路的開口4.填充薄膜是指金屬薄膜填充通孔以便在兩層金屬層之間形成電連接。

芯片金屬化技術術語

現代集成電路對金屬膜的要求

1.電阻率低：能傳導高電流密度

2.粘附性好：能夠粘附下層襯底實現很好的電連接，半導體與金屬連接時接觸電阻低

3.易于淀積：容易成膜

4.易于圖形化：對下層襯底有很高的選擇比，易于平坦化

5.可靠性高：延展性好、抗電遷徙能力強

6.抗腐蝕性能好

7.應力低：機械應力低減小硅片的翹曲，避免金屬線斷裂、空洞。現代集成電路對金屬膜的要求集成電路金屬化技術常用的金屬種類鋁鋁銅合金銅阻擋層金屬硅化物金屬填充塞集成電路金屬化技術常用的金屬種類集成電路金屬化技術常用金屬的熔點和電阻率集成電路金屬化技術常用金屬的熔點和電阻率金屬化工藝物理氣相淀積（PVD）化學氣相淀積（CVD）金屬淀積系統1.蒸發2.濺射3.金屬CVD4.銅電鍍金屬化工藝鋁鋁的優點

1.電阻率低（2.65μΩ?cm）

2.與硅和二氧化硅的粘附性好

3.與高摻雜的硅和多晶硅有很好的歐姆接觸（合金化溫度450～500℃）

4.易于淀積成膜

5.易于光刻和刻蝕形成微引線圖形

7.2金屬化技術鋁7.2金屬化技術6.抗腐蝕性能好，因為鋁表面總是有一層抗腐蝕性好的氧化層（Al2O3）

7.鋁的成本低鋁的缺點

1.純鋁與硅的合金化接觸易產生PN結的穿通現象

2.會出現電遷徙現象6.抗腐蝕性能好，因為鋁表面總是有一層抗腐蝕性結穿通現象在純鋁和硅的界面加熱合金化過程中（通常450～500℃），硅將開始溶解在鋁中直到它在鋁中的濃度達到0.5％為止，硅在鋁中的溶解消耗硅且由于硅界面的情況不同，就在硅中形成空洞造成PN穿通現象的發生。結穿通引起PN結短路。結穿通現象在純鋁和硅的界面加熱合金化過程中（通常450～50解決結穿刺問題的方法：1.采用鋁－硅（1~2%）合金或鋁－硅（1~2%）－銅（2~4%）合金替代純鋁；2.引入阻擋層金屬化以抑制硅擴散。解決結穿刺問題的方法：控制純鋁電遷徙現象的辦法是采用鋁－銅（0.5~4%）合金替代純鋁電遷徙現象當金屬線流過大電流密度的電流時，電子和金屬原子的碰撞引起金屬原子的移動導致金屬原子的消耗和堆積現象的發生，這種現象稱為電遷徙現象。電遷徙現象會造成金屬線開路、兩條鄰近的金屬線短路。純鋁布線在大電流密度工作時，最容易發生電遷徙現象。控制純鋁電遷徙現象的辦法是采用鋁－銅（0.5~4%）合金替代電遷徙現象的SEM照片電遷徙電遷徙現象的SEM照片電遷徙銅在深亞微米IC制造中，RC延遲是一個突出問題隨著集成電路的集成度不斷提高、關鍵尺寸不斷減小、電路性能不斷增強，在現代先進的IC制造技術中采用了銅互連技術。在深亞微米技術中銅互連將取代鋁互連，一個重要的原因就是減小金屬線的寄生電阻和相鄰金屬線間的寄生電容以減小RC延遲提高電路速度。

銅先進的45nm工藝的集成電路中互連線最細線寬45nm，而互連總長度達到5公里量級！先進的45nm工藝的集成電路中互連線最細線寬45nm，而互連電路中互連引入的延遲超過了器件延遲，互連成了限制集成電路速度的主要因素。電路中互連引入的延遲超過了器件延遲，互連成了限制集成電路速度

銅的優點

1.電阻率更低（1.678μΩ?cm）使相同線寬傳導的電流大

2.降低動態功耗：由于RC延遲減小

3.更高的集成度：由于線寬減小

4.可靠性高：有良好的抗電遷徙性能

5.更少的工藝步驟：采用大馬士革方法，減少20％～30％

6.易于淀積（銅CVD、電鍍銅）

7.銅的成本低銅的優點

銅的缺點

1.不能干法刻蝕銅

2.銅在硅和二氧化硅中擴散很快，芯片中的銅雜質沾污使電路性能變壞

3.抗腐蝕性能差，在低于200℃的空氣中不斷被氧化克服銅缺點的措施

1.采用大馬士革工藝回避干法刻蝕銅

2.用金屬鎢做第一層金屬解決了電路底層器件的銅沾污銅的缺點大馬士革工藝大馬士革是敘利亞的一個城市名，早期大馬士革的一位藝術家發明了在金銀首飾上鑲嵌珠寶的工藝，該工藝被命名為大馬士革。集成電路的銅布線技術和大馬士革工藝相似。大馬士革工藝傳統Al布線工藝與大馬士革Cu工藝的差別傳統Al布線工藝與大馬士革Cu工藝的差別傳統布線工藝與雙大馬士革工藝的差別傳統布線工藝雙大馬士革銅金屬化工藝流程雙大馬士革銅金屬化工藝流程電子科大微電子工藝（第七章）金屬化課件電子科大微電子工藝（第七章）金屬化課件

阻擋層金屬阻擋層金屬的作用

1.提高歐姆接觸的可靠性；

2.消除淺結材料擴散或結尖刺；

3.

阻擋金屬的擴散（如銅擴散）阻擋層金屬的基本特性

1.有很好的阻擋擴散特性

2.低電阻率具有很低的歐姆接觸電阻

3.與半導體和金屬的粘附性好，接觸良好

4.抗電遷徙

5.膜很薄且高溫下穩定性好

6.抗腐蝕和氧化阻擋層金屬常用的阻擋層金屬

1.Ti＋TiN2.Ta＋TaN（主要用于銅布線）常用的阻擋層金屬

硅化物硅化物是在高溫下難熔金屬（通常是鈦Ti、鈷Co）與硅反應形成的金屬化合物（如TiSi2、CoSi2

）硅化物的作用

1.降低接觸電阻

2.作為金屬與Si接觸的粘合劑。硅化物

硅化物的基本特性

1.電阻率低（Ti：60μΩ?cm

，TiSi2

：13～17μΩ?cm

）

2.高溫穩定性好，抗電遷徙性能好

3.與硅柵工藝的兼容性好常用的硅化物

1.硅化鈦TiSi22.硅化鈷CoSi2

（0.25um及以下）硅化物的基本特性CMOS結構的硅化物CMOS結構的硅化物自對準金屬硅化物的形成自對準金屬硅化物的形成金屬填充塞金屬填充塞0.18μmSTI硅化鈷6層金屬IC的邏輯器件0.18μmSTI硅化鈷6層金屬IC的邏輯器件7.3金屬淀積系統金屬淀積系統：

1.蒸發

2.濺射

3.金屬CVD4.銅電鍍半導體傳統金屬化工藝—物理氣相淀積（PVD）SSI、MSI→蒸發LSI以上→濺射7.3金屬淀積系統金屬淀積系統：蒸發是在高真空中，把固體成膜材料加熱并使之變成氣態原子淀積到硅片上的物理過程。蒸發的工藝目的在硅片上淀積金屬膜以形成金屬化電極結構。成膜材料的加熱方式：蒸發器分為電阻加熱、電子束加熱、高頻感應加熱等三種。在蒸發工藝中，本底真空通常低于10－6Torr。金屬淀積系統——蒸發蒸發是在高真空中，把固體成膜材料加熱并使之變成氣態原子淀積到簡單的蒸發系統機械泵RoughingpumpHi-Vacvalve高真空閥高真空泵Hi-VacpumpProcesschamber工藝腔（鐘罩)Crucible坩鍋Evaporatingmetal蒸發金屬Wafercarrier載片臺簡單的蒸發系統機械泵Hi-Vacvalve高真空閥高真空泵電子束蒸發是電子束加熱方式的蒸發，是在高真空中，電子槍發出電子經系統加速聚焦形成電子束、再經磁場偏轉打到坩鍋的成膜材料上加熱，并使之變成氣態原子淀積到硅片上的物理過程。在蒸發技術中，電子束蒸發占主流。電子科大微電子工藝（第七章）金屬化課件電子束蒸發系統的組成：

1.高壓電源系統

2.真空系統

3.

電子加速聚焦偏轉系統

4.工藝腔

5.水冷坩鍋系統（通常為帶旋轉的四坩鍋）

6.載片架電子束蒸發系統的組成：電子束蒸發系統

電子束蒸發系統電子束蒸發系統電子束蒸發系統電子束蒸發過程電子束蒸發的3個基本步驟：

1.在高真空腔中，電子槍發射的電子經加速獲得足夠的動能并聚焦形成電子束。

2.電子束經磁場偏轉，向成膜材料轟擊加熱并使之蒸發

3.成膜材料蒸發出的原子或分子在高真空環境下的平均自由程增加，并以直線運動形式撞到硅片表面凝結形成薄膜。電子束蒸發過程

蒸發的優點：

1.金屬膜淀積速率高，常用于功率器件的厚金屬化電極（厚度達到5.0μm）蒸發的缺點：

1.臺階覆蓋能力差

2.不能淀積金屬合金正因為第一個缺點，在大規模集成電路制造中，蒸發被濺射所替代。蒸發的優點：濺射是在高真空下，利用高能粒子撞擊具有高純度的靶材料表面，撞擊出的原子最后淀積在硅片上的物理過程。在濺射工藝中，本底真空通常低于10－7Torr，工作真空通常為10－3Torr左右。高能粒子通常選用惰性氣體氬Ar離子，氬離子不與其它物質發生化學反應。濺射的工藝目的：同蒸發金屬淀積系統——濺射濺射是在高真空下，利用高能粒子撞擊具有高純度的靶材料表面，撞濺射過程濺射有6個基本步驟：

1.在高真空腔等離子體中產生正氬離子，并向具有負電勢的靶材料加速。

2.在加速中離子獲得動能，并轟擊靶。

3.離子通過物理過程從靶表面撞擊出（濺射）原子。

濺射過程

4.被撞擊出（濺射）的原子遷移到硅表面。

5.被濺射的原子在硅片表面凝聚并形成膜。薄膜具有與靶相同的材料組分。

6.多余粒子由真空泵抽走。4.被撞擊出（濺射）的原子遷移到硅表面。濺射過程Exhauste-e-e-DC直流二極管濺射裝置Substrate1)電場產生Ar+

離子2) 高能Ar+撞擊靶材3)將金屬原子從靶材中撞出.陽極(+)陰極(-)Ar原子電場金屬靶材等離子體5) 金屬淀積在襯底上6) 用真空泵將多于物質從腔體中抽出4)金屬原子向襯底遷移Gasdelivery+++++濺射過程Exhauste-e-e-DC直流二極管濺射裝置Su濺射過程+0高能量的Ar+離子被濺射出的金屬原子金屬原子陰極(-)彈回的氬離子和自由電子復合形成中性原子濺射過程+0高能量的Ar+離子被濺射出的金屬原子金屬原子陰極濺射離子的能量范圍

0.5KEV～5.0KEV

能量太小轟擊不出來靶材料原子，能量太大產生氬離子注入現象。濺射率（濺射產額）每個入射離子轟擊出的靶原子數影響濺射率的因素

1.轟擊離子的入射角

2.靶材料的組分和它的幾何因素

3.轟擊離子的質量

4.轟擊離子的能量

濺射離子的能量范圍

濺射的優點：

1.

臺階覆蓋能力好

2.

能淀積金屬合金（成膜組分與靶材組分相同）濺射的缺點：

1.濺射速率低濺射的優點：

濺射系統分類

1.RF（射頻）濺射系統

2.

磁控濺射系統

3.IMP（離子化的金屬等離子體）系統RF（射頻）濺射系統缺點：濺射速率低。磁控濺射系統是現代集成電路制造最廣泛應用的濺射系統。IMP的優點：填充高深寬比的通孔和狹窄溝道能力強，滿足深亞0.25μm的應用。濺射系統分類RF（射頻）濺射系統RF（射頻）濺射系統磁控濺射是一種高密度等離子體濺射，是利用靶表面附近的正交電磁場使電子平行靶表面做回旋運動，從而大大增加了與氬原子的碰撞幾率，顯著地提高了等離子體區的Ar離子密度，使濺射速率成倍增加。在濺射技術中，磁控濺射占主流。磁控濺射是一種高密度等離子體濺射，是利用靶表面附近的正交電磁蒸發和濺射的比較特點優點缺點電子束蒸發1.成膜速率高（能蒸發5微米厚的鋁膜）1.臺階覆蓋差2.不能淀積合金材料磁控濺射1.能淀積復雜的合金材料2.能淀積難熔金屬和非金屬3.臺階覆蓋好4.很好的均勻性控制1.成膜速率適中2.設備復雜昂貴蒸發和濺射的比較特點優點缺點電子束蒸鎢CVD氣源：WF6淀積方法：LPCVD銅CVD：制作種子層50～100nm金屬淀積系統——CVDWF6+3H2W+6HF

鎢CVD金屬淀積系統——CVD金屬淀積系統——銅電鍍金屬淀積系統——銅電鍍金屬淀積系統金屬淀積系統本章習題書中第12章：6、11、13、341、3、21、22本章習題書中第12章：6、11、13、341、3、21、229、春去春又回，新桃換舊符。在那桃花盛開的地方，在這醉人芬芳的季節，愿你生活像春天一樣陽光，心情像桃花一樣美麗，日子像桃子一樣甜蜜。9月-239月-23Sunday,September17,202310、人的志向通常和他們的能力成正比例。15:23:0015:23:0015:239/17/20233:23:00PM11、夫學須志也，才須學也，非學無以廣才，非志無以成學。9月-2315:23:0015:23Sep-2317-Sep-2312、越是無能的人，越