第八章：金属化

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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。

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。

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溅射系统分类 1. RF（射频）溅射系统 RF（射频）溅射系统缺点：溅射速率低。 2. 磁控溅射系统 磁控溅射的发明提高了淀积速率，这是溅射已 经处于主导地位的主要原因。 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。 3. IMP（离子化的金属等离子体）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。


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。
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简单的蒸发系统
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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、 再经磁场偏转入射到坩锅的成膜材料上加热，并使 之变成气态原子沉积到硅片上的物理过程。
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1.电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近的金属线 短路。 2. 纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发生电迁徙 现象。 3. 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
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电迁徙现象的SEM照片
电迁徙
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铜
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。
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铜的优点
1. 电阻率更低：减少RC的信号延迟，增加芯片速度；
2. 减少了功耗：减少了线宽，降低了功耗； 3. 更高的集成度：由于线宽减小。 4. 良好的抗电迁徙性能：铜不需考虑电迁徙问题。 5. 更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少20％～ 30％
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铜的缺点
1. 不能干法刻蚀铜
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8.2.3 金属CVD



金属CVD的优点：台阶覆盖能力好；高深宽比 接触和通孔无间隙式的填充。 钨CVD 气源：WF6 沉积方法：LPCVD 铜CVD：为电镀铜制作种子层50～100nm 铜电镀
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8.3 先进的金属化技术

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
和大马士革工艺相似。
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传统布线工艺 与双大马士革工艺的差别
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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
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溅射过程
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溅射过程
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离子产生
简化成三步
离子对靶的轰击引起溅射
溅射出的粒子对基片的淀积

溅射的优点：
1. 台阶覆盖能力好
2. 能沉积金属合金（成膜组分与靶材组分相同） 溅射的缺点： 溅射速率低
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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
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RFΒιβλιοθήκη Baidu射频）溅射系统
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蒸发和溅射的比较
特点 优 点 缺 点
电子 1.成膜速率高（能蒸发5微米 1.台阶覆盖差 束蒸 厚的铝膜） 2.不能沉积合金 发 材料 1.能沉积复杂的合金材料 1.成膜速率适中 磁控 2.能沉积难熔金属和非金属 2.设备复杂昂贵 溅射 3.台阶覆盖好 4.很好的均匀性控制 5.能多腔集成去除表面沾污 （原位反溅刻蚀）

在蒸发技术中，电子束蒸发占主流。
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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
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电子束蒸发系统
电子束蒸发系统
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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
自对准金属硅化物的形成
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金属填充塞
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0.18μm STI 硅化钴 6层金属IC的逻辑器件
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第五次作业

名词解释：互连、接触、通孔、填充塞 芯片互联对金属和金属合金的性能要求？
什么是阻挡层金属？阻挡层材料的基本特 性是什么？哪种金属常被用作阻挡层金属？ 溅射淀积的优点、溅射过程的主要基本步 骤？ 双大马士革金属化过程的主要步骤？
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硅化物的基本特性 1. 电阻率低（Ti：60 μΩ－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TiSi2 2. 硅化钴CoSi2 （0.25um及以下）

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CMOS结构的硅化物
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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。
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蒸发的优点： 1. 金属膜沉积速率高，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. 不能沉积金属合金
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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，并轰击靶材料。 3. 离子通过物理过程从靶表面撞击出（溅射）原子。
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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. 多余的粒子被真空泵抽走。
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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结的穿刺现象 2. 能出现电迁徙现象
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结穿刺现象：在纯铝和硅的界面加热合金化过程中 （通常450～500℃） ，硅将溶解到铝中，特别是在 几个点上大量溶解，使铝像尖刺一样刺入硅中，甚 至造成PN结的短路失效。


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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
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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. 易于沉积成膜 5. 易于光刻和刻蚀形成微引线图形 欧姆接触：金属与硅接触时，该系统的I－V 特性曲线符合欧姆定律，这样的接触被称为欧 姆接触。

正因为蒸发的台阶覆盖能力差缺点，在大规模集 成电路制造中，蒸发被溅射所替代。
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8.2.2 溅射工艺原理

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，撞击出的原子最后沉积在 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，且是重离子获得的能量大。
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
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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
第八章：金属化
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8.1 引 言
2
3
4
8.2 金属淀积系统

金属沉积系统： 1. 蒸发PVD 2. 溅射 3. 金属CVD 4. 铜电镀
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8.2.1 蒸发工艺原理

蒸发是在高真空中，把坩锅中的固体成膜材料加热 并使之变成气态原子撞击到硅片表面凝结成膜。 蒸发的工艺目的 在器件晶片上沉积金属膜以形成金属化电极结构。
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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＋TiN ; TiW 2. Ta＋TaN（主要用于铜布线）; WN
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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. 作为金属与有源层的粘合剂。
3. 易于沉积：容易成膜
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4. 易于光刻/刻蚀和平坦化：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。
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集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率
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