金属化

蒸发
• 蒸发是将待蒸发的材料放置进坩埚，在真空系统中加热并 使之蒸发，淀积在硅片表面。最典型的方法是利用电子束 加热放置在坩埚中的金属，在蒸发器中通过保持真空环境， 蒸气分子的平均自由程增加，并且在真空腔里以直线形式 运动，直到它撞到表面凝结形成薄膜。 • 蒸发的最大缺点是不能产生均匀的台阶覆盖，逐渐被拥有 很好台阶覆盖的溅射所取代。 • 另一缺点是对淀积合金的限制，为了淀积由多材料组成的 合金，蒸发器需要有多个坩埚，这是因为不同材料的蒸气 压是不同的
阻挡层金属
• 阻挡层金属是淀积在硅和金属塞之间的一层金属。可以阻 止上下层材料互相混合，消除浅结材料扩散或结尖刺的问 题，提高欧姆接触可靠性。常规的阻挡层金属有钨，钛， 钼，铂，钽。
可接受的阻挡层金属的基本特性
• • • • • • 1、很好的阻挡扩散特性。 2、高电导率具有很低的欧姆接触电阻。 3、在半导体和金属之间很好的附着。 4、抗电迁移。 5、在很薄并且高温下具有很好的稳定性。 6、抗侵蚀和氧化。
铝互连
欧姆接触
• 概念：金属和半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半 导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活 动区(Active region)而不在接触面。
• 在改进欧姆接触早期工作遇到的困难是：在加热 过程中，铝和硅之间出现了不希望出现的反应， 该反应导致接触金属和硅形成微合金，这一过程 被称为结“穿通”。同时硅向铝中扩散，在硅中 留下了空洞，当纯铝和硅界面被加热时结尖刺发 生，导致结短路，
金属填充塞
• 多层金属化生产了对数以十亿计的通孔用金属填充塞的需 要，以便在两层金属之间形成电通路，接触填充塞也被用 与连接硅片中硅器件和第一层金属化，目前被用于填充的 最普遍的金属是钨，钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力， 钨可以抗电迁移引起的失效，因此也被用于做阻挡层以禁 止硅和第一层金属之间的扩散反应，钨是难熔材料，熔点 3417°。
金属材料的要求
• 1、导电率：为维持电性能的完整性，必须具备高电导率， 能够传导高电流密度。 • 2、粘附性：能够粘附下层衬底，容易与外电路实现电连 接。 • 3、淀积：易于淀积并经相对的低温处理后具有均匀的结 构和组份。 • 4、可靠性：为了在处理和应用过程中经受住温度的变化， 金属应相对柔软且有较好的延展性。 • 5、抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，在层与层之间以及一下 的器件区具有最小的化学反应。 • 6、应力：很好的机械应力特性以便减少硅片的扭曲和材 料失败，比如断裂、空洞的形成和应力诱导腐蚀。
对铜的挑战
• 1、铜很快扩散进氧化硅和硅，这使人担心铜扩散 进硅的有源区而损坏器件，因为这将引起氧化硅 漏电。 • 2、应用常规的等离子刻蚀工艺，铜不容易形成图 形，干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产生 挥发性的副产物。 • 3、低温下空气中，铜很快被氧化，而且不会形成 保护层阻止铜进一步氧化。
铜阻挡层金属
• 铜在硅和二氧化硅中都有着很高的扩散率，这种高扩散率 讲破坏器件的性能，传统的阻挡层金属对铜来说阻挡作用 不够，铜需要一层薄膜阻挡层完全封装起来，这层金属薄 膜的作用就是加固附着并有效的阻止扩散，对铜来说这个 特殊的阻挡层金属要求如下： • 1、阻止铜扩散 • 2、低薄膜电阻 • 3、对介质材料和铜都有很好的附着 • 4、与化学机械平坦化过程兼容 • 5、具有很好的台阶覆盖
多层金属的钨填充塞
金属淀积系统
• 半导体制造业的传统金属化工艺分为物理气象淀积（PVD） 和化学气象淀积(CVD)。 • 在小规模和中规模半导体集成电路制造时代，蒸发是金属 化方法，由于蒸发台阶覆盖的特性差，然后被溅射取代， 随着集成电路的发展，铜电镀技术逐渐在各个领域得到发 展。 • 传统的淀积系统包括： • 蒸发 • 溅射 • 金属CVD • 铜电镀
• 缺点：电迁移 由于动量从传输电流的电子转移，引起铝原子在 导体中移动，在大电流密度的情形下，电子和铝 原子碰撞，引起原子逐渐移动，原子的移动导致 原子在导体负极损耗，这样在负极就产生了空洞， 引起连线减薄，就会引起断路，在导体的其它区 域，由于金属原子的堆积，金属原子堆起来形成 小丘，小丘在金属薄膜的表面鼓起，如果过多或 大量的小丘形成，比邻的连线或者两层之间的连 线就有可能短接在一起，引起短路。
铜电镀
• 铜电镀的基本原理是将具有导电表面的硅片沉浸在硫 酸铜溶液中，这个溶液中包含需要淀积的铜，硅片和种子 层作为带负电荷的平板或阴极电连接到外电源。固体铜块 沉浸在溶液中构成带正电的阳极，电流从硅片进入溶液到 达铜阴极，当电流流动时，发生如下反应：
2+
Cu
+ 2
e
−
→
Cu
0
电镀过程中，金属铜离子在硅片表面阴极被还原程金属 铜离子，同时在铜阳极发生氧化反应，以此平衡阴极电流， 维持了容易中的电中和。
金属CVD
• 由于化学气相淀积具有优良等角的台阶覆盖以及对高深宽 比接触和通孔无间隙的填充，在金属淀积方面得到了深入 研究。 • 钨CVD 钨薄膜淀积特性取决于硅片表面的化学反应， 通常是采用WF6 和H2之间的反应，产生钨和氟化氢气体。
• 在淀积薄膜钨过程中的第一步是淀积钛/氮化钛阻挡层， 在氮化钛淀积之前，以便它和下层材料反应，降低接触电 阻，氮化钛作为钨的阻挡层金属和附着加固剂，可以有效 的避免钨攻击下层材料。
钛作为铜的阻挡层金属
硅化物
• 难溶金属和硅在一起发生反应，熔合时形成硅化物，硅 化物是一种热稳定性的金属化合物，并且在硅/难溶金属的 分界面具有低的电阻率，可以减小源漏和栅区硅接触的电阻。
•
如果难熔金属和多晶硅反应，那么它成为多晶硅化物， 惨杂的多晶硅被用做栅电极，有较高的电阻率，这导致了不 应有的RC信号延迟，多晶硅化合物对减小连接多晶硅的串联 电阻是有益的
• 基本溅射过程 1、在高真空腔等离子体产生正氩离子，并向具有负电 势的靶材料加速。 2、在加速过程中离子获得动量，并轰击靶。 3、离子通过物理过程从靶上撞击出原子，靶具有想要 的材料组份。 4、被轰击的原子迁移到硅片表面。 5、被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成薄膜，与靶材 料比较，薄膜具有与它基本相同的材料组分 6、额外材料由真空泵抽走。
金属类型
• • • • • • 铝 铝铜合金 铜 阻挡层金属 硅化物 金属填充物
铝
铝是硅片制造中最重要的材料之一，铝的优点： • 1、铝在20°时具有低电阻率，但比铜、金、银的 电阻率稍高，然而铜和银都比较容易腐蚀，在硅和 二氧化硅中有高的扩散率，金和银比铝昂贵，而且 在氧化膜上附着不好。 • 2、铝能够很容易和氧化硅反应，加热生成氧化铝， 这促使了氧化硅和铝之间的附着，铝能够轻易的淀 积在硅片上，可用湿法刻蚀而不影响下层薄膜。
多层金属化
金属化技术对于提高IC的性能很关键，对于 传统的IC技术而言，由互联线引起的信号延迟使 得芯片的性能降低不是关注的焦点，因为在传统 器件中，主要信号延迟是由器件引起的，然而， 对于新一代ULSI产品制造业而言情况就不同了， 金属布线越密，互联线引起的信号延迟占去时钟 周期的部分就越大，对IC性能的制约影响也越大。
结穿通
• 解决办法： • 铝硅合金 如果铝中已经有硅，哪么衬底向铝 中溶解的速度就会减慢，然而硅在铝中形成合金 的量是有限的，由于硅在铝中凝结，可能导致小 的硅高浓度区域的形成，这就会增加接触电阻。 • 阻挡层金属
铝铜合金
• 由铝和铜形成的合金，当铜的含量在0.5%到4%之 间时，其连线中的电迁移得到控制，通过减少铝 中颗粒之间界面的扩散效果，使得形成的合金从 根本上增加了传输电流的能力。
• 硅化物的形成通常是要求把难熔金属淀积在硅片上，接着 在进行高温退火以Байду номын сангаас成硅化物材料，在有硅的区域，金属 与硅反应形成硅化物，在其他有二氧化硅保护的区域，又 很少或没有硅化物形成。
• TiSi2对硅片制造而言，传统上已经是最普通的接触硅化 物，它用做晶体管硅有源区和钨填充薄膜之间的接触，紧 紧的把钨和硅粘合在一起，有很高的高温稳定特性以及更 低的电阻。
金属化过程
• 1、解释下列名词：金属化、互连、接触和通孔 • 2、列出金属用于硅片制造的要求 • 3、解释铝被选择作为芯片互连金属的原因 • 4、什么是欧姆接触？它的优点是什么？ • 5、描述结尖刺并列出两种解决的主要办法 • 6、描述电迁移 • 7、列出铜金属化的优点 • 8、什么是阻挡层金属？阻挡层材料的基本特性？那些金 属常被用做阻挡层金属？ • 9、为什么蒸发作为金属淀积系统被取代？ • 10、描述溅射的工作方式
金属化
金属化：应用物理或化学的方法在芯片上淀积导电金属薄膜的 金属化 过程。 互连：指由导电材料，如铝、多晶硅或铜制成的连线将电信号 互连 传输到芯片的不同部分。 接触：指硅芯片内的 器件与第一金属层之间在硅表面的连接。 接触 通孔：是穿过各种介质层从某一金属层到比邻的另一层金属层 通孔 形成电路的开口。 填充薄膜：指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属层之间形成 填充薄膜 电连接。
简单的蒸发装置
溅 射
• 溅射是一个物理过程，在溅射过程中，高能粒子撞击具有 高纯度的靶材料固体的平板，按物理过程撞击出原子，这 些被撞击出的原子穿过真空，最后淀积在硅片上。 • 溅射的优点： • 1、具有淀积并保持复杂合金原组份的能力 • 2、能够淀积高温熔化和难熔金属 • 3、能够在直径200毫米或更大的硅片上控制淀积均匀的薄 膜 • 4、具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片表面 玷污和本身的氧化层。
简单平行金属板直流二极管溅射系统
• 除了被溅射的原子被轰击外，还有其他核素淀积 在衬底上，这些核素给衬底加热，引起了薄膜淀 积的不均匀，在铝的淀积过程中，高温也能产生 不需要的铝氧化，这妨碍了溅射过程，在二极管 溅射期间，许多核素撞击硅片表面，由于对灵敏 度器件的辐射，也增加损坏的可能性。
不同核素淀积在衬底上
铜
IC互连金属化引入铜的优点： • 1、电阻率的减少：在20°时，互连金属线的电阻 率比铝在20°时的电阻要小，减少了信号延迟， 增加芯片的速度。 • 2、减少了功耗：减少了线的宽度，降低了功耗。 • 3、更高的集成密度：更窄的线宽，允许更高密度 的电路集成， • 4、良好的抗迁移性能 • 5、更少的工艺步骤