半导体制造工艺第6章 金 属 化

6.3 金属淀积
图6-11
射频溅射设备示意图
6.3 金属淀积
(3)磁控溅射 直流溅射离化率低，射频溅射离化率有提高，但不显
著。 2.多腔集成溅射装备 3.典型溅射设备操作步骤 1)清洗程序: ① 用BOE溶液(溶液中水与HF缓冲液的体积比为90∶1)腐蚀，温度 为23℃，用时为60s。 ② 去离子水冲洗6次。 ③ 甩干。 ④ 用去离子水冲洗，然后用热氮气甩干。 2)在“KEY”模式下输入操作者使用号，操作屏立刻进入“SERVIC
6.1 概述
2.接触 1)扩散法是在半导体中先扩散形成重掺杂区以获得N+N或P+P的结 构，然后使金属与重掺杂的半导体区接触，形成欧姆接触。
2)合金法是利用合金工艺对金属互连线进行热处理，使金属与半 导体界面形成一层合金层或化合物层，并通过这一层与表面重掺 杂的半导体形成良好的欧姆接触。
图6-1
金属互连线与半导体区之间的接触
6.3 金属淀积
② 调整传输板的定位，检查“TABLE INSERT”(工作台衬垫)表面
是否有擦伤痕迹，如有擦伤需重新安装。 ③ 关闭腔室，建立高真空，在真空度不大于5×10-5Torr(1Torr=133.3 22Pa)时，烧 ④ 打开所有电源，跑片25~50片，冷泵再生。 ⑤ 冷泵再生后，跑片50片(打假片)，反射率达到要求后，做BT(加偏 压、偏温CV曲线)测试。 ⑥ BT通过后，即可生产。
6.2 金属化类型
6.2.1 半导体制造中对金属材料的要求 金属化技术在中、小规模集成电路制造中并不是十分关键。 但是随着芯片集成度越来越高，金属化技术也越来越重要，甚至
一度成为制约集成电路发展的瓶颈。早期的铝互连技术已不能满 足高性能和超高集成度对金属材料的要求，直到铜互连技术被应 用才解决了这个问题。硅和各种金属材料的熔点和电阻率见表6⁃1。 为了提高IC性能，一种好的金属材料必须满足以下要求： 1)具有高的导电率和纯度。 2)与下层衬底(通常是二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性。 3)与半导体材料连接时接触电阻低。 4)能够淀积出均匀而且没有“空洞”的薄膜，易于填充通孔。 5)易于光刻和刻蚀，容易制备出精细图形。
6.3 金属淀积
1)溅射设备基础压力没有达到规范值(不大于5×10-7Torr)(1Torr=13 3.322Pa)。 解决办法：一般可调换陶瓷环来解决。
2)氩气用完。 解决办法：需更换新的氩气钢瓶。 3)硅片不断落在腔室里。 ① 传输板定位不正确。 ② CLIP(橡皮环)或陶瓷环屏蔽罩没有安装到位。 解决办法： ① 关闭RF电源，关闭加热器电源，关闭溅射电源，放气并打开腔 室。
的移动，这就电迁徙现象。由于金属原子质量远远大于电子的质量，
通常在导体横截面积较大的情况下，不会考虑电迁徙现象。但是由 于互连线的特征图形尺寸越来越细，这时候铝互连电迁徙现象引发 的问题就更加明显。铝原子的移动导致导体中某些位臵原子的损耗， 以至于产生空洞，最终引起互连线局部减薄或变细，直至产生断路。 在导体的其他区域，铝原子堆积起来则形成小丘，外在表现为金属 薄膜表面鼓出，如果有过多或大量的小丘形成，可能会与毗邻的连
6.3 金属淀积
6.3.4 金属CVD
对于金属薄膜，更多的是选择物理气相淀积（PVD）法进行淀 积，即蒸发和溅射。然而，化学气相淀积（CVD）工艺在获得优良 的等角台阶覆盖和对高深宽比通孔无间隙式的填充等方面有着明显 的优势。当器件的特征尺寸减小到0．15μm或更小时，金属CVD的 优势更加突出。所以在某些金属层结构中使用金属CVD的方法进行 淀积可以得到更好的效果，比如制备具有高深宽比的钨塞和要求等
5)更少的工艺步骤。 2.铜在实际实用中的一些难题 1)铜在氧化硅和硅中的扩散率很高。 2)铜很难被刻蚀。 3)在小于200℃低温的空气中，铜很快被氧化，而且这一层氧化膜 不会阻止铜进一步氧化。
6.2 金属化类型
图6-3
多层铜互连技术
6.2 金属化类型
6.2.5 阻挡层金属
在上一节介绍到铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，如果 铜扩散进入二氧化硅或硅中将破坏器件的性能，这也是铜互连迟迟 未被采用的主要原因之一。事实上，很多金属与半导体接触并在高 温处理时都容易相互扩散，比如铝和硅、钨和硅相互扩散。为了防 止上下层材料相互扩散必须在它们中间引入阻挡层金属，如图6⁃ 4 所示。阻挡层金属必须足够厚，以达到阻挡扩散的目的，通常对于
射在形成金属薄膜的过程中没有化学反应，属于物理气相淀积（PV
D）。
6.3 金属淀积
6.3.2 蒸发 在半导体制造早期，蒸发法是最主要的金属淀积方法。然而 为了获得更好的台阶附覆盖能力以及更高的淀积速率，从20世纪7
0年代的后期开始，在大多数硅片制造技术领域里溅射已经取代蒸 发。尽管如此，在一些对薄膜台阶附覆盖能力要求不太高的中小 规模集成电路制造中仍在使用蒸发法淀积金属薄膜。在封装工艺 中，蒸发也被用来在晶片的背面淀积金，以提高芯片和封装材料 的粘合力。
6.3 金属淀积
6.3.1 金属淀积的方法 金属淀积需要考虑的是如何将金属材料转移到硅片表面，并在 硅片表面形成具有良好台阶覆盖能力、均匀的高质量薄膜。最初人 们想到的是加热蒸发的方法，对金属材料进行加热使之沸腾后蒸发，
然后淀积到硅片表面。然而利用这种方法形成的薄膜台阶覆盖能力
和粘附力都较差，所以热蒸发法只限于早期的中小规模半导体集成 电路制造中使用。为了适应现代的超大规模集成电路制造的需要， 人们随后又想到另一种将金属材料转移到硅片表面的方法，这种方 法称为溅射。溅射是利用高能粒子去撞击金属靶材料，把金属原子 从靶材料中撞击出来后淀积到硅片上。这种方法能形成有较好台阶 覆盖能力的高质量薄膜。与化学气相淀积（CVD）不同，蒸发和溅
图6-5
铜的阻挡层金属
6.2.6 硅化物 1.硅化物的形成原理
6.2 金属化类型
图6- 6 硅化物在半导体器件中的用途
6.2 金属化类型
2.自对准方法形成硅化物
图6-7
自对准形成硅化物的步骤
6.2 金属化类型
1)依次用有机溶液、稀释过的氢氟酸和去离子水除去硅片自然氧化
层和表面杂质(也可使用氩离子溅射刻蚀去除)，接着干燥硅片。 2)将硅片臵于金属淀积腔内，在硅片上淀积一层厚度为20~35nm的 金属钛薄膜。 3)对硅片进行第一次快速热退火，退火温度为625~675℃。 4)通过氢氧化铵和过氧化氢的湿法化学去掉所有未参与反应的钛。 6.2.7 钨 多层金属化产生了数以十亿计的通孔（Via，也称过孔）。通孔 是指两金属层之间形成电通路的介质层开口，在通孔中淀积金属后 便形成孔填充塞。孔填充塞可使两层金属之间或第一金属层与器件 区之间形成电通路。
特征尺寸为0．25μm的器件中阻挡层金属厚度约100nm，而对于0．1
8μm工艺水平的器件其阻挡层金属厚度约20nm。 1)能很好地阻挡材料的扩散。 2)高电导率和很低的欧姆接触电阻。
6.2 金属化类型
图6- 4
阻挡层金属
6.2 金属化类型
3)在半导体和金属之间有很好的附着能力。
4)抗电迁徙能力强。 5)保证在很薄和高温下具有很好的稳定性。 6)抗侵蚀和抗氧化性好。
6.2 金属化类型
6)很好的耐腐蚀性。 7)在处理和应用过程中具有长期的稳定性。
表6-1 硅和各种金属材料的熔点和电阻率(20°C)
表6-1 硅和各种金属材料的熔点和电阻率(20°C)
6.2 金属化类型
6.2.2 铝
与硅和二氧化硅一样，铝一直是半导体制造技术中最主要的材 料之一。从集成电路制造早期开始就选择铝作为金属互连的材料， 以薄膜的形式在硅片中连接不同器件。直至21世纪初期，为了进一 步提高IC性能，在较高性能的超大规模集成电路（VLSI）中开始应 用铜互连技术。但铝在集成电路制造中地位仍然非常重要，选择铝 作为金属互连线是因为铝具有以下优势：
1)较低的电阻率。
2)铝价格低廉。 3)工艺兼容性。 4)铝膜与下层衬底(通常是硅、二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性。 6.2.3 铝铜合金
6.2 金属化类型
6.2.3 铝铜合金 前文介绍到铝存在电迁徙问题。电流是通过导体内电子的移动产生 的，电子在移动的过程中会与金属原子发生碰撞。在大电流密度的 情形下，大量电子对金属原子的持续碰撞，会引起原子逐渐而缓慢
图6-8
蒸发系统示意图
6.3 金属淀积
1.加热器
图6-9
蒸发系统中的加热方式
2.片架 3.真空系统 1)准备。 2)抽真空。
6.3 金属淀积
3)基片加热。 4)蒸发。 5)取片。
6.3.3 溅射 溅射是物理气相淀积（PVD）的另一种淀积形式。与蒸发一 样，也是一个物理过程，但是它对真空度的要求不像蒸发那么高， 通入氩气前后分别是10-7Torr和10-3Torr(1Torr=133．322Pa)。溅射 是利用高能粒子撞击具有高纯度的靶材料固体平板，按物理过程 撞击出原子，被撞出的原子穿过真空最后淀积在硅片上。
半导体制造工艺
第6章 金
属
化
第6章 金
属 化
6.1 概述
6.2 金属化类型 6.3 金属淀积 6.4 金属化流程 6.5 金属化质量控制 6.6 金属淀积的工艺模拟
6.1 概述
6.1.1 金属化的概念 在硅片上制造芯片可以分为两部分：第一，在硅片上利用各 种工艺（如氧化、CVD、掺杂、光刻等）在硅片表面制造出各种
图6-12 铜电镀原理示意图
6.3 金属淀积
1.脉冲电镀法 2.添加剂法
图6-13
沟槽中的三种添加剂和氯离子
6.4 金属化流程
6.4.1 传统金属化流程 传统的互连金属是铝铜合金（99%铝，1%铜），并用SiO2作为 层间介质隔离层。以下是制备第二层金属的传统铝互连技术的工
6.3 金属淀积
图6-10
溅射工艺的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。