第3章_8_金属化工艺
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– SOG法是已旋涂的方式覆盖一层液态的溶液，以达到 使晶片表面的介电层得以“平坦化”的目的。SOG经 适当的热处理之后，将成为一个非常近似于SiO2 的物 SiO 质。
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2、化学机械抛光（CMP）
– 其工艺类似于硅的抛光，但不一样，对介电层抛光 的目的是去掉光刻胶并使整个圆晶片表面均匀平坦， 被去掉的厚度为0.5微米至1.0微米，而抛光归硅时， 被去除的硅的厚度要有几十微米。
Cu的刻蚀：
采用化学机械抛光(CMP)和大马士革(damascene) 工艺刻蚀Cu
3.8.2 金属层淀积工艺
Al膜主要采用PVD（物理气相沉积） 法 Al膜主要采用PVD（物理气相沉积）
– 1. 真空蒸度方法
– a.钨丝加热法 a.钨丝加热法 – b.电子束蒸发法 b.电子束蒸发法
2、溅射沉积 1.基本过程 1.基本过程
– 重掺杂多晶硅薄膜也可以代替铝成为MOS 的栅极材料并同时形成互连 – 但IC中的特征尺寸小于1um时，由于多晶硅 薄膜的电阻率较大，成为限制IC速度提高的 主要障碍，为此采用硅化物/多晶硅的复合 栅结构（polycide)
3、Cu
铜的电阻率极低，电迁移特性好，但有下列缺 点： （1）刻蚀困难，容易对设备造成污染。 （2）Cu在硅中扩散很快,容易对器件造成污染。
Void和Hillock的SEM照片
（2）铝硅互溶问题 – 硅在铝中有溶解度，易形成“尖刺”。 为了解决电迁移现象： – （1）对铝薄膜的结构作设计 – （2）采用Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金，边界 分凝，阻止铝原子沿边界的迁移。 （3）采用多层结构（Al/Ti/Al)
– 例如：A l-CrAl7-Al
2 互连线的要求
– 低电阻值
产生的电压降最小；信号传输延时最小（RC时间常 数最小化）
– 与器件之间的接触电阻低 – 长期可靠工作
3 可能的互连线材料
– 金属（低电阻率） – 多晶硅（中等电阻率） – 高掺杂区的硅(注入或扩散)（中等电阻率）
互连线宽与互连线延迟的关系
金属互连材料
Al是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料 但Al连线也存在一些比较严重的问题
超高真空镀膜系统 (中科院固体物理研究所)
主要技术指标：
– 进样及预处理室极限真空：10-5Pa； – 淀积处理室极限真空：在配置分子泵组进行淀 积时，真空可优于5×10-5 Pa； – 配置离子泵进行真空检测时可达7×10-8Pa。
样品尺寸：Φ50mm； 主要用途：
– 离子束清洗；直流或射频溅射；反应离子溅射 等
3、多层金属化
– “接触窗”和“介层窗”的工艺技巧。 – “接触窗插塞”是专指用以连接MOS各极与金属层 的“镶入部分”； – “介层窗插塞”用来连系上下不同的金属之用。 – 插塞技术主要有： – “钨插塞”和“高温铝”
4 互连与多层布线
VLSI设计需要把器件连到一起以构成完整的系 统。在硅平面上，连线是指利用导体的掩膜图 形为设计中的单元之间提供电气通路。 设计规则要求连线必须满足最小宽度和最小间 距。每一根连线都要占用面积并且必须根据规 则与邻近线保持间距。 在VLSI设计中，连线可能非常复杂以致于需要 采用多层布线。 现代CMOS工艺中，通常有6层 或6层以上布线。
多靶磁控溅射设备
主要技术指标： 主要技术指标：
– 系统极限真空度：2.6×10-5Pa，漏率：停泵关机12小 时后，系统保持真空度≤5Pa，工作真空：系统暴露大 气后开机，40分钟内系统真空度达到≤6.6×10-4Pa； – φ50永磁靶两只,φ50电磁靶一只； – RF电源N=500W，DC电源N=500W； – 样品尺寸：φ25 mm； – 水冷，可连续公转，步进电机控制靶位转换，携带四 块样品，水冷盘在大气下可与水平倾斜0 ～ 30°； – 加热，样品温度850℃，在0～360°范围内公转，在大 气下样品可以实现0～70°倾斜； – MFC控制两路工作气体，偏压范围：0～200V。
电迁移（Electromigration）
由于在连线（Al）中的电子在足够大的电场力作 用下使铝原子发生漂移运动，产生Al线上的空洞 （Void）和小丘（Hillock），使IC在正常工作中， 其内部互连线发生短路或者断路的现象。 即“电子风”作用力占主导地位。
电迁移中的Void和Hillock
– – – – – (1) 产生离子并导向一个靶; 产生离子并导向一个靶; (2)离子把靶表面上的原子轰击出来; (2)离子把靶表面上的原子轰击出来; (3)被轰击出的原子向硅晶片运动 (3)被轰击出的原子向硅晶片运动 (4)在晶片表面这些原子凝结并形成薄膜 (4)在晶片表面这些原子凝结并形成薄膜 (5)磁控溅射的金属：铝、TiN、TW (5)磁控溅射的金属：铝、TiN、
互连技术与器件特征尺寸的缩小 资料来源： Oct.,1998） （资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998）
布线的寄生电阻和寄生电容： 互连的两个特性，称为串联电阻和并联电容，影 响到电路的性能，也经常需要在版图和电路设计之 间反复迭代。
1 互连线引入信号的延迟 通过器件间的连线传递信号的过程，是将信 号电荷向布线间形成的寄生电容充放电的过程。
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）
抛光的过程既是机械的，也是化学的。 抛光的过程不只是通过研浆与圆晶片表面的摩 擦来完成。 在圆晶片和研浆颗粒表面之间形成化学键和分 子键。 最常用的抛光研浆是悬浮在氢氧化钾溶液中的 胶状或雾状二氧化硅微粒，抛光速率依赖于溶 液的PH值。
为了解决“尖刺”现象
– （1）采用Al-Si 或Al-Si-Cu合金 – （2）采用铝-硅双层金属化结构，可以提供溶解于 铝所需要的硅原子。 – （3）采用铝阻挡层结构
在硅铝之间沉积一层薄金属层
– CoSi2/TiN/Al – CoSi2：欧姆接触材料 – TiN：阻挡层材料
2、重掺杂多晶硅和难熔金属硅化物
主要用途： 主要用途：
– 利用二极放电产生等离子体的原理进行溅射沉积，可 以进行RF磁控溅射、DC磁控溅射，以制取金属膜、介 质膜、磁性膜以及多层膜等。
2.基本原理
磁控溅射
3.8.3 金属化互连系统
当集成电路集成度增加，内连线也增加，需要 进行金属层的多层互连。
要进行金属的多层互连，须对介质进行平坦化工 艺，既将随晶片表面起伏的介电层加以平坦。 1、旋涂玻璃法（SOG）
3.8 金属化工艺
3.8.1 金属材料的选用 1 互连金属化材料的要求
– – – – – （1）导电性能好 （2）与 n型和 P型硅之间都能形成欧姆接触 （3）性能稳定 （4）台阶覆盖性能好 （5）工艺相容（可以制薄膜、光刻、刻蚀）
2 常用的金属材料
1、铝
– 铝是一种常用的金属材料，电阻率很低，和硅的互 溶性较好，它与P型硅和掺杂浓度较高的n型半导体 都能形成欧姆接触。 – 问题： – （1）电迁移现象 – 铝在导线中受两个力的作用： – a.静电作用力，方向沿电场方向 – b.”电子风作用力”，沿电子流的方向
– 电迁移严重、电阻率偏高、浅结穿透等
Cu连线工艺有望从根本上解决该问题
– IBM Motorola IBM、Motorola等已经开发成功
目前，互连线已经占到芯片总面积的70～80%； 且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加
现代多层互连
使用高K材料制造晶体管的栅极，可很好解决 电流泄漏的问题。 使用低K电介质材料隔绝多个电路层，可有效 降低层间的寄生电容，提高芯片性能。
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2、化学机械抛光（CMP）
– 其工艺类似于硅的抛光，但不一样，对介电层抛光 的目的是去掉光刻胶并使整个圆晶片表面均匀平坦， 被去掉的厚度为0.5微米至1.0微米，而抛光归硅时， 被去除的硅的厚度要有几十微米。
Cu的刻蚀：
采用化学机械抛光(CMP)和大马士革(damascene) 工艺刻蚀Cu
3.8.2 金属层淀积工艺
Al膜主要采用PVD（物理气相沉积） 法 Al膜主要采用PVD（物理气相沉积）
– 1. 真空蒸度方法
– a.钨丝加热法 a.钨丝加热法 – b.电子束蒸发法 b.电子束蒸发法
2、溅射沉积 1.基本过程 1.基本过程
– 重掺杂多晶硅薄膜也可以代替铝成为MOS 的栅极材料并同时形成互连 – 但IC中的特征尺寸小于1um时，由于多晶硅 薄膜的电阻率较大，成为限制IC速度提高的 主要障碍，为此采用硅化物/多晶硅的复合 栅结构（polycide)
3、Cu
铜的电阻率极低，电迁移特性好，但有下列缺 点： （1）刻蚀困难，容易对设备造成污染。 （2）Cu在硅中扩散很快,容易对器件造成污染。
Void和Hillock的SEM照片
（2）铝硅互溶问题 – 硅在铝中有溶解度，易形成“尖刺”。 为了解决电迁移现象： – （1）对铝薄膜的结构作设计 – （2）采用Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金，边界 分凝，阻止铝原子沿边界的迁移。 （3）采用多层结构（Al/Ti/Al)
– 例如：A l-CrAl7-Al
2 互连线的要求
– 低电阻值
产生的电压降最小；信号传输延时最小（RC时间常 数最小化）
– 与器件之间的接触电阻低 – 长期可靠工作
3 可能的互连线材料
– 金属（低电阻率） – 多晶硅（中等电阻率） – 高掺杂区的硅(注入或扩散)（中等电阻率）
互连线宽与互连线延迟的关系
金属互连材料
Al是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料 但Al连线也存在一些比较严重的问题
超高真空镀膜系统 (中科院固体物理研究所)
主要技术指标：
– 进样及预处理室极限真空：10-5Pa； – 淀积处理室极限真空：在配置分子泵组进行淀 积时，真空可优于5×10-5 Pa； – 配置离子泵进行真空检测时可达7×10-8Pa。
样品尺寸：Φ50mm； 主要用途：
– 离子束清洗；直流或射频溅射；反应离子溅射 等
3、多层金属化
– “接触窗”和“介层窗”的工艺技巧。 – “接触窗插塞”是专指用以连接MOS各极与金属层 的“镶入部分”； – “介层窗插塞”用来连系上下不同的金属之用。 – 插塞技术主要有： – “钨插塞”和“高温铝”
4 互连与多层布线
VLSI设计需要把器件连到一起以构成完整的系 统。在硅平面上，连线是指利用导体的掩膜图 形为设计中的单元之间提供电气通路。 设计规则要求连线必须满足最小宽度和最小间 距。每一根连线都要占用面积并且必须根据规 则与邻近线保持间距。 在VLSI设计中，连线可能非常复杂以致于需要 采用多层布线。 现代CMOS工艺中，通常有6层 或6层以上布线。
多靶磁控溅射设备
主要技术指标： 主要技术指标：
– 系统极限真空度：2.6×10-5Pa，漏率：停泵关机12小 时后，系统保持真空度≤5Pa，工作真空：系统暴露大 气后开机，40分钟内系统真空度达到≤6.6×10-4Pa； – φ50永磁靶两只,φ50电磁靶一只； – RF电源N=500W，DC电源N=500W； – 样品尺寸：φ25 mm； – 水冷，可连续公转，步进电机控制靶位转换，携带四 块样品，水冷盘在大气下可与水平倾斜0 ～ 30°； – 加热，样品温度850℃，在0～360°范围内公转，在大 气下样品可以实现0～70°倾斜； – MFC控制两路工作气体，偏压范围：0～200V。
电迁移（Electromigration）
由于在连线（Al）中的电子在足够大的电场力作 用下使铝原子发生漂移运动，产生Al线上的空洞 （Void）和小丘（Hillock），使IC在正常工作中， 其内部互连线发生短路或者断路的现象。 即“电子风”作用力占主导地位。
电迁移中的Void和Hillock
– – – – – (1) 产生离子并导向一个靶; 产生离子并导向一个靶; (2)离子把靶表面上的原子轰击出来; (2)离子把靶表面上的原子轰击出来; (3)被轰击出的原子向硅晶片运动 (3)被轰击出的原子向硅晶片运动 (4)在晶片表面这些原子凝结并形成薄膜 (4)在晶片表面这些原子凝结并形成薄膜 (5)磁控溅射的金属：铝、TiN、TW (5)磁控溅射的金属：铝、TiN、
互连技术与器件特征尺寸的缩小 资料来源： Oct.,1998） （资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998）
布线的寄生电阻和寄生电容： 互连的两个特性，称为串联电阻和并联电容，影 响到电路的性能，也经常需要在版图和电路设计之 间反复迭代。
1 互连线引入信号的延迟 通过器件间的连线传递信号的过程，是将信 号电荷向布线间形成的寄生电容充放电的过程。
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）
抛光的过程既是机械的，也是化学的。 抛光的过程不只是通过研浆与圆晶片表面的摩 擦来完成。 在圆晶片和研浆颗粒表面之间形成化学键和分 子键。 最常用的抛光研浆是悬浮在氢氧化钾溶液中的 胶状或雾状二氧化硅微粒，抛光速率依赖于溶 液的PH值。
为了解决“尖刺”现象
– （1）采用Al-Si 或Al-Si-Cu合金 – （2）采用铝-硅双层金属化结构，可以提供溶解于 铝所需要的硅原子。 – （3）采用铝阻挡层结构
在硅铝之间沉积一层薄金属层
– CoSi2/TiN/Al – CoSi2：欧姆接触材料 – TiN：阻挡层材料
2、重掺杂多晶硅和难熔金属硅化物
主要用途： 主要用途：
– 利用二极放电产生等离子体的原理进行溅射沉积，可 以进行RF磁控溅射、DC磁控溅射，以制取金属膜、介 质膜、磁性膜以及多层膜等。
2.基本原理
磁控溅射
3.8.3 金属化互连系统
当集成电路集成度增加，内连线也增加，需要 进行金属层的多层互连。
要进行金属的多层互连，须对介质进行平坦化工 艺，既将随晶片表面起伏的介电层加以平坦。 1、旋涂玻璃法（SOG）
3.8 金属化工艺
3.8.1 金属材料的选用 1 互连金属化材料的要求
– – – – – （1）导电性能好 （2）与 n型和 P型硅之间都能形成欧姆接触 （3）性能稳定 （4）台阶覆盖性能好 （5）工艺相容（可以制薄膜、光刻、刻蚀）
2 常用的金属材料
1、铝
– 铝是一种常用的金属材料，电阻率很低，和硅的互 溶性较好，它与P型硅和掺杂浓度较高的n型半导体 都能形成欧姆接触。 – 问题： – （1）电迁移现象 – 铝在导线中受两个力的作用： – a.静电作用力，方向沿电场方向 – b.”电子风作用力”，沿电子流的方向
– 电迁移严重、电阻率偏高、浅结穿透等
Cu连线工艺有望从根本上解决该问题
– IBM Motorola IBM、Motorola等已经开发成功
目前，互连线已经占到芯片总面积的70～80%； 且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加
现代多层互连
使用高K材料制造晶体管的栅极，可很好解决 电流泄漏的问题。 使用低K电介质材料隔绝多个电路层，可有效 降低层间的寄生电容，提高芯片性能。