第五讲金属化工艺
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（4）工艺方法的综合比较
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3
产品制造的过程
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4
课程性质、任务和学习要求
1. 课程性质
2.
技术基础课
2. 学习任务和要求
1）掌握常用金属材料的主要性能；
2）掌握零件的加工工艺知识；
3）培养工艺分析的基本能力。
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第一篇 金属材料导论
工业生产中所使用的材料主要包括金属材料、无机 非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。
一、铸造性能
金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为 铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在 金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。
二、
金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造 性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形 抗力越小，金属的锻造性能越好。
σb=F b/A 0
弹性极限σe：
材料在外力作用下，保持弹性变形的最大应力。
σe=F e/A 0
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中、高碳钢和其他脆 性金属材料无明显屈服 现象，国家标准以产生 0.2%塑性变形的应力 来表示屈服强度，即：
σ0.2=F0.2/A0
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屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、 评定金属材料时有重要意义 。 机械零件多
最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金； 有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金。
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第一章 金属材料的主要性能
教学重点：金属材料的力学性能 教学难点：б-ε曲线特点
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第一节 金属材料的力学性能
力学性能是指金属材料在受外力作用时 所反映出来的性能。力学性能指标，是 选择、使用金属材料的重要依据。
半导体制造工艺教案6-金属化
授课主要内容或板书设计课堂教学安排表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) 6.2.2铝图6-2由电迁徙引起的铝互连线断路与短路现象6.2.4铜1.铜的优点1)更低的电阻率图6-3多层铜互连技术阻挡层金属图6- 4阻挡层金属在半导体和金属之间有很好的附着能力。
抗电迁徙能力强。
保证在很薄和高温下具有很好的稳定性。
抗侵蚀和抗氧化性好。
图6-5铜的阻挡层金属6.2.6硅化物硅化物的形成原理图6- 6硅化物在半导体器件中的用途图6-7自对准形成硅化物的步骤自对准方法形成硅化物依次用有机溶液、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。
将硅片置于金属淀积腔内，在硅片上淀积一层厚度为20~35nm的金属钛薄膜。
对硅片进行第一次快速热退火，退火温度为625~675℃。
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。
图6-9蒸发系统中的加热方式真空系统抽真空。
基片加热。
图6-10溅射工艺的设备示意图溅射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。
能获得良好的台阶覆盖。
形成的薄膜与硅片表面的粘附性比蒸发工艺更好。
能够淀积难熔金属。
具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片表面沾污和本身的氧化图6-11射频溅射设备示意图直流溅射离化率低，射频溅射离化率有提高，但不显著。
多腔集成溅射装备典型溅射设备操作步骤溶液中水与HF缓冲液的体积比为90次。
图6-12铜电镀原理示意图图6-13沟槽中的三种添加剂和氯离子金属化流程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艺流程。
该过程中铝被淀积为薄膜，然后被刻蚀掉（减去）以形成电路。
图6-14第一层金属(金属1)的形成的形成图6-15形成通孔2图6-16形成钨塞图6-17淀积金属2 刻蚀出互连线图6-18刻蚀金属2图6-19层间介质淀积的线槽刻蚀图6-20刻蚀金属2的线槽金属层间通孔刻蚀图6-21刻蚀通孔淀积阻挡层金属图6-23淀积铜种子层铜电镀图6-24铜清除额外的铜图6-25化学机械抛光金属化质量控制反射率的测量金属膜厚的测量方块电阻估算导电膜厚度一种最实用的方法是测量方块电阻图6-26薄层导体示意图四探针法在半导体工厂中，广泛使用测量方块电阻的方法是四探针图6-27四探针仪示意图。
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。2020年11月27日星期五下午3时1分51秒15:01:5120.11.27
• 15、会当凌绝顶，一览众山小。2020年11月下午3时1分20.11.2715:01November 27, 2020
• 16、如果一个人不知道他要驶向哪头，那么任何风都不是顺风。2020年11月27日星期五3时1分51秒15:01:5127 November 2020
（三）型材 型材主要有板材、棒材、线材 等。常用截面形状有圆形、方形、六角形和 特殊截面形状。就其制造方法，又可分为热 轧和冷拉两大类。热轧型材尺寸较大，精度 较低，用于一般的机械零件。冷拉型材尺寸 较小，精度较高，主要用于毛坯精度要求较 高的中小型零件。
• （四）焊接件 焊接件主要用于单件小批 生产和大型零件及样机试制。其优点是制 造简单、生产周期短、节省材料、减轻重 量。但其抗振性较差，变形大，需经时效 处理后才能进行机械加工。
《金属工艺学》上、下册 《材料成型工艺基础》
《机械制造学》 《工程材料与热加工工艺》 《机械加工工艺》 《机械加工工艺基础》
《材料成形学》
高等教育出版社
邓文英
华中理工大学出版社 沈其文
机械工业出版社
王贵成
西北工业大学出版社 裴崇斌
西北工业大学出版社 裴崇斌
清华大学出版社
金问楷
机械工业出版社
李新城
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课程的特点
• 课程是机类专业应掌握的一门重要的专业
基础课，具有很强的综合性和实践性，是
在掌握了工程制图和金工实习课之后开设 的专业基础课。通过本课程的教学，培养 学生把理论与实践结合起来学习的理念， 提高工程实践的意识，并能用所学的基本 原理和方法分析实际生产技术问题，为学 习后续课程并为以后从事机械设计和制造 方面的工作奠定必要的基础。
PVD 金属化工艺
目录：Chapter PVD1. 概述1.1 金属化工艺的作用1.2 金属化材料的要求1.3 合金材料的使用1.4金属化膜与半导体的接触1.5 薄膜沉积技术2．物理气相沉积2.1 溅射沉积2.2溅射腔体结构2.3 溅射的工艺条件2.4 膜的工艺参数及性质3．AL/SI接触及其改进3.1 AL中掺入少量的SI3.2 AL-阻挡层结构4．AL膜的电迁移4.1 提高AL膜沉积温度4.2 AL中掺入少量的Cu4.3 三层夹心结构5．金属膜的应用5.1 AL膜5.2 TI膜5.3 TIN膜5.4 金属硅化物膜6．多重内连接工艺6.1 回付法制作插塞6.2 高温AL7．台阶覆盖7.1台阶覆盖率定义7.2提高台阶覆盖率的方法8．Collimetor9．其它Chapter RTA1. RTA原理极其利用PVD 金属化工艺引言本文主要讲述了PVD的工作原理、工艺条件以及工艺参数，并结合实际列举了一些常见问题及解决方法。
讲述了金属化材料的一些性质极其在实际中的应用。
1．概述1.1 金属化工艺的作用金属化工艺的作用归纳起来有如下几点：（1）连接作用：将IC里的各元件连起来，形成一个功能完善而强大的IC。
（2）接触作用：在栅区及有源区形成欧姆接触。
（3）阻挡作用：阻挡AL与SI的互溶，防止结的穿通。
（4）ARC作用：降低AL表面反射率，有利暴光。
（5）湿润作用：在热AL工艺中，室温TI有利于AL的流动以及在WCD 工艺之前，要COLLIMETOR溅TI+TIN。
1.2 金属化材料的要求目前能用作IC金属化的材料很多，有单元金属、多元金属、合金、硅化物等。
但是，无论使用哪种材料，都必须满足如下要求：（1）电阻率要低。
（2）与n型和p型硅能形成欧姆接触。
（3）与SI和SIO2的粘附性好。
（4）抗电迁移能力强。
（5）抗腐蚀能力强。
（6）易刻蚀。
（7）便于超声或热压键合。
（8）膜的应力要低。
1.3 合金材料的使用由于纯AL材料的电阻率低，与SI（或SIO2）的粘附性又好，而且易刻蚀，是一种作为导电连线的好材料，因而得到广泛使用。
孔金属化工艺流程
孔金属化工艺流程
孔金属化工艺流程主要包括以下步骤：
1.钻孔：在两层或多层印制电路板上钻出所需的孔。
2.去油：对孔壁进行彻底清洁，以完全去除油脂和其他杂质。
3.粗化：对孔壁进行表面粗糙度处理，以增加表面积，有利于后
续的金属化。
4.浸清洗液：将电路板浸入清洗液中，进一步确保孔壁表面的清
洁度。
5.孔壁活化：将PCB板放入活化液中活化，使电路板的每个部分
都能为后续的化学镀铜提供充足有效的催化活性核心。
6.化学沉铜：在孔壁表面进行化学沉铜处理，形成一层薄薄的铜
层。
7.电镀铜加厚：通过电镀的方式，加厚孔壁上的铜层，确保金属
孔和印制导线之间可靠连通。
完成金属化后，还需进行后处理以确保表面粗糙度均匀，通常通过机械抛光和化学平衡技术实现平坦表面。
请注意，孔金属化是印制电路板制造的关键核心技术之一，是连接多层印制电路板印制导线的可靠方法。
在整个工艺过程中，要求孔
壁内的金属均匀、完整，与铜箔连接可靠，电性能和力学性能符合标准。
微电子工艺之金属化.26页PPT
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
END
电子科大微电子工艺(第七章)金属化资料
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 电流大
1. 电阻率更低（1.678μΩ•cm）使相同线宽传导的 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
常用的阻挡层金属 1. Ti＋TiN 2. 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：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
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
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。
第五讲：金属化工艺
by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
引 言
芯片金属化是应用化学或物理处理方法在芯片 上淀积导电金属膜的过程。这一过程与介质的淀积 紧密相关，金属线在IC电路中传输信号，介质层则 保证信号不受邻近金属线的影响。 金属化对不同金属连接有专门的术语名称。互 连（interconnect）意指由导电材料（铝、多晶硅或 铜）制成的连线将信号传输到芯片的不同部分。互 连也被用做芯片上器件和整个封装之间普通的金属 连接。接触（contact）意指硅芯片内的器件与第一 层金属之间在硅表面的连接。通孔（via）是穿过 各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层之间 形成电通路的开口。“填充薄膜”是指用金属薄膜 填充通孔，以便在两金属层之间形成电连接。
电信学院微电子教研室
在硅片制造业中 各种金属和金属合金可组成下列种类
• • • • • •
铝 铝铜合金 铜 阻挡层金属 硅化物 金属填充塞
半导体制造技术
by Michael Quirk and Julian Serda
电信院微电子教研室
金属铝
在半导体制造业中，最早的互连金属是铝， 目前在VLSI以下的工艺中仍然是最普通的互连金 属。在21世纪制造高性能IC工艺中，铜互连金属 有望取代铝。然而，由于基本工艺中铝互连金属 的普遍性， 所以选择铝金属化的背景是有益的。 铝在20℃时具有2.65µ Ω-cm的低电阻率，比铜 、金及银的电阻率稍高。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，这些都 阻止它们被用于半导体制造。另一方面，铝能够 很容易和二氧化硅反应，加热形成氧化铝（ AL2O3 ），这促进了氧化硅和铝之间的附着。还 有铝容易淀积在硅片上。基于这些原因。铝仍然 作为首先的金属应用于金属化。
半导体制造工艺教案金属化
授课主要内容或板书设计课堂教学安排教学过程主要教学内容及步骤6.1引言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有源器件和无源元件。
第二，利用金属互连线将这些元器件连接起来形成完整电路系统。
金属化工艺（Metallization）就是在制备好的元器件表面淀积金属薄膜，并进行微细加工，利用光刻和刻蚀工艺刻出金属互连线，然后把硅片上的各个元器件连接起来形成一个完整的电路系统，并提供与外电路连接接点的工艺过程。
6.1.2金属化的作用金属化在集成电路中主要有两种应用：一种是制备金属互连线，另一种是形成接触。
1.金属互连线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。
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）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）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。
金属化一般工艺流程
金属化一般工艺流程Metallization: General Process Flow.1. Substrate Preparation.The first step in the metallization process is to prepare the substrate. This involves cleaning the substrate to remove any contaminants that could interfere with the adhesion of the metal film. The substrate may also be etched to create a rough surface, which will help the metal film to adhere better.2. Metal Deposition.The metal film is then deposited onto the substrate. This can be done using a variety of techniques, including physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), and electroplating.3. Patterning.Once the metal film has been deposited, it must be patterned to create the desired circuit. This can be done using a variety of techniques, including photolithography, etching, and lift-off.4. Etching.The metal film is then etched to remove any unwanted metal. This can be done using a variety of etchants, including wet etchants, dry etchants, and plasma etchants.5. Finishing.The final step in the metallization process is to finish the metal film. This may involve annealing the film to improve its electrical properties, or coating the film with a protective layer to prevent oxidation.中文回答：金属化，一般工艺流程。
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金属2淀积 + 刻蚀
覆盖 ILD 层和 CMP
氮化硅刻蚀终止层 (光刻和刻蚀)
第二层 ILD 淀积和穿过 两层氧化硅刻蚀
Figure 12.2
铜填充 铜CMP
铜金属化
Photo 12.1
金属类型
以提高性能为目的，用于芯片互连的金属和金属 合金的类型正在发展，对一种成功的金属材料的 要求是：
Figure 12.3
欧姆接触
为了在金属和硅之间形成接触，可通过 加热完成。通常在惰性气体或还原的氢气环 境中，在400～500℃进行，此过程也被称为 低温退火或烧结。在硅上加热烘烤铝形成期 望的电接触界面，被称为欧姆接触（有很低 的电阻）。接触电阻与接触面积成反比，在 现代芯片设计中，欧姆接触用特殊的难熔金 属（以硅化物形式出现的钛），在硅表面作 为接触以减小电阻、增强附着（见下图）。
铝在20℃时具有2.65µΩ-cm的低电阻率，比铜 、金及银的电阻率稍高。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，这些都 阻止它们被用于半导体制造。另一方面，铝能够 很容易和二氧化硅反应，加热形成氧化铝（ AL2O3 ） ， 这 促 进 了 氧 化 硅 和 铝 之 间 的 附 着 。 还 有铝容易淀积在硅片上。基于这些原因。铝仍然 作为首先的金属应用于金属化。
• 金属化正处在一个过渡时期，随着铜冶金术的 介入正经历着快速变化以取代铝合金。这种变
化源于刻蚀铜很困难，为了克服这个问题，铜 冶金术应用双大马士革法处理，以形成通孔和
铜互连。这种金属化过程与传统金属化过程相 反（见下图）。
传统和大马士革金属化比较
传统互连流程
双大马士革流程
覆盖 ILD 层和 CMP
减小互连电阻可通过用铜取代铝作为基本的 导电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要低K值 层间介质（ILD）。通过降低介电常数来减少寄生 电容。
目标
通过本章学习，将能够： 1. 解释金属化； 2. 列出并描述在芯片制造中的6种金属，讨论它们的
性能要求并给出每种金属的应用； 3. 解释在芯片制造过程中使用金属化的优点，描述
1. 导电率: 要求高导电率，能够传道高电流密度。
2. 黏附性：能够黏附下层衬底，容易与外电路实现电连接
3. 淀积：易于淀积经相对低温处理后具有辨率的光刻图形
5. 5. 可靠性：经受温度循环变化，相对柔软且有好的延展性
6. 抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，层与层以及下层器件区有最
应用铜的挑战； 4. 叙述溅射的优点和缺点； 5. 描述溅射的物理过程，讨论不同的溅射工具及其
应用； 6. 描述金属CVD的优点和应用； 7. 解释铜电镀的基础； 8. 描述双大马士革法的工艺流程。
引言
芯片金属化是应用化学或物理处理方法在芯片 上淀积导电金属膜的过程。这一过程与介质的淀积 紧密相关，金属线在IC电路中传输信号，介质层则 保证信号不受邻近金属线的影响。
7.
小的化学反应。
7. 应力：很好的抗机械应力特性，以便减少硅片的扭曲和材
8.
料的失效。
硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅
铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
金属化
概述
金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上 淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线和集成 电路的孔填充塞的过程。金属线被夹在两个绝缘 介质层中间形成电整体。高性能的微处理器用金 属线在一个芯片上连接几千万个器件，随着互连 复查性的相应增加，预计将来每个芯片上晶体管 的密度将达到10亿个。
由于ULSI组件密度的增加，互连电阻和寄生电 容也会随之增加，从而降低了信号的传播速度。
在某些特殊的芯片上有上亿个接触点 ，为了获得良好的电性能，一个可靠的具有 低电阻和牢固附着的界面是非常重要的。
欧姆接触结构
Oxide
阻挡层金属 铝、钨、铜等
电阻率 (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
Table 12.1
在硅片制造业中 各种金属和金属合金可组成下列种类
•铝 • 铝铜合金 •铜 • 阻挡层金属 • 硅化物 • 金属填充塞
金属铝
在半导体制造业中，最早的互连金属是铝， 目前在VLSI以下的工艺中仍然是最普通的互连金 属。在21世纪制造高性能IC工艺中，铜互连金属 有望取代铝。然而，由于基本工艺中铝互连金属 的普遍性， 所以选择铝金属化的背景是有益的。
金属化对不同金属连接有专门的术语名称。互 连（interconnect）意指由导电材料（铝、多晶硅或 铜）制成的连线将信号传输到芯片的不同部分。互 连也被用做芯片上器件和整个封装之间普通的金属 连接。接触（contact）意指硅芯片内的器件与第一 层金属之间在硅表面的连接。通孔（via）是穿过 各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层之间 形成电通路的开口。“填充薄膜”是指用金属薄膜 填充通孔，以便在两金属层之间形成电连接。
铝互连
Via-4
Top Nitride
ILD-6
Metal-4 ILD-5
Metal-3 ILD-4
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
多层金属化
层间介质
亚0.25µm CMOS 剖面
金属互连结构
复合金属互连
具有钨塞的通孔互连结构
局部互连（钨） 初始金属接触 在硅中扩散 的有源区
Figure 12.1
• 层间介质（ILD）是绝缘材料，它分离了金属 之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被光刻成 图形、刻蚀以便为各金属层之间形成通路。用 金属（通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充 薄膜。在一个芯片上有许多通孔，据估计，一 个300mm2单层芯片上的通孔数达到一千亿个 。在一层ILD中制造通孔的工艺，在芯片上的 每一层都被重复。