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第七章金属化7.1引言金属化是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。金属化连接接触孔芯片金属化技术术语1.互连指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用以传输电信号2.接触是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表面的连接3.通孔是穿过各层介质层从某一金属层到相邻的另一金属层形成电通路的开口4.填充薄膜是指金属薄膜填充通孔以便在两层金属层之间形成电连接。现代集成电路对金属膜的要求1.电阻率低：能传导高电流密度2.粘附性好：能够粘附下层衬底实现很好的电连接，半导体与金属连接时接触电阻低3.易于淀积：容易成膜4.易于图形化：对下层衬底有很高的选择比，易于平坦化5.可靠性高：延展性好、抗电迁徙能力强6.抗腐蚀性能好7.应力低：机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属线断裂、空洞。集成电路金属化技术常用的金属种类铝铝铜合金铜阻挡层金属硅化物金属填充塞集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率金属化工艺物理气相淀积（PVD）化学气相淀积（CVD）金属淀积系统1.蒸发2.溅射3.金属CVD4.铜电镀铝铝的优点1.电阻率低（2.65μΩ•cm）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450～500℃）4.易于淀积成膜5.易于光刻和刻蚀形成微引线图形7.2金属化技术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.会出现电迁徙现象结穿通现象在纯铝和硅的界面加热合金化过程中（通常450～500℃），硅将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。解决结穿刺问题的方法：1.采用铝－硅（1~2%）合金或铝－硅（1~2%）－铜（2~4%）合金替代纯铝；2.引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。控制纯铝电迁徙现象的办法是采用铝－铜（0.5~4%）合金替代纯铝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。电迁徙现象的SEM照片电迁徙铜在深亚微米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。先进的45nm工艺的集成电路中互连线最细线宽45nm，而互连总长度达到5公里量级！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。铜的优点1.电阻率更低（1.678μΩ•cm）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20％～30％6.易于淀积（铜CVD、电镀铜）7.铜的成本低铜的缺点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。传统Al布线工艺与大马士革Cu工艺的差别传统布线工艺与双大马士革工艺的差别双大马士革铜金属化工艺流程阻挡层金属阻挡层金属的作用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.抗腐蚀和氧化常用的阻挡层金属1.Ti＋TiN2.Ta＋TaN（主要用于铜布线）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。硅化物的基本特性1.电阻率低（Ti：60μΩ•cm，TiSi2：13～17μΩ•cm）2.高温稳定性好，抗电迁徙性能好3.与硅栅工艺的兼容性好常用的硅化物1.硅化钛TiSi22.硅化钴CoSi2（0.25um及以下）CMOS结构的硅化物自对准金属硅化物的形成金属填充塞0.18μmSTI硅化钴6层金属IC的逻辑器件7.3金属淀积系统金属淀积系统：1.蒸发2.溅射3.金属CVD4.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。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10－6Torr。金属淀积系统——蒸发简单的蒸发系统机械泵RoughingpumpHi-Vacvalve高真空阀高真空泵Hi-VacpumpProcesschamber工艺腔（钟罩)Crucible坩锅Evaporatingmetal蒸发金属Wafercarrier载片台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.载片架电子束蒸发系统电子束蒸发系统电子束蒸发过程电子束蒸发的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。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5.0μm）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。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10－7Torr，工作真空通常为10－3Torr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：同蒸发金属淀积系统——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。溅射过程Exhauste-e-e-DC直流二极管溅射装置Substrate1)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Gasdelivery+++++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溅射离子的能量范围0.5KEV～5.0KEV能量太小轰击不出来靶材料原子，能量太大产生氩离子注入现象。溅射率（溅射产额）每个入射离子轰击出的靶原子数影响溅射率的因素1.轰击离子的入射角2.靶材料的组分和它的几何因素3.轰击离子的质量4.轰击离子的能量溅射的优点：1.台阶覆盖能力好2.能淀积金属合金（成膜组分与靶材组分相同）溅射的缺点：1.溅射速率低溅射系统分类1.RF（射频）溅射系统2.磁控溅射系统3.IMP（离子化的金属等离子体）系统RF（射频）溅射系统缺点：溅射速率低。磁控溅射系统是现代集成电路制造最广泛应用的溅射系统。IMP的优点：填充高深宽比的通孔和狭窄沟道能力强，满足深亚0.25μm的应用。RF（射频）溅射系统磁控溅射是一种高密度等离子体溅射，是利用靶表面附近的正交电磁场使电子平行靶表面做回旋运动，从而大大增加了与氩原子的碰撞几率，显著地提高了等离子体区的Ar离子密度，使溅射速率成倍增加。在溅射技术中，磁控溅射占主流。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.设备复杂昂贵钨CVD气源：WF6淀积方法：LPCVD铜CVD：制作种子层50～100nm金属淀积系统——CVDWF6+3H2W+6HF金属淀积系统——铜电镀金属淀积系统本章习题书中第12章：6、11、13、341、3、21、22