第11章-金属化工艺
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• 加热蒸镀法、电子束蒸镀法、等离子体溅射法、磁控溅射沉积
– CVD工艺：较好的阶梯覆盖和间隙填充能力，但质量较差、电阻率较高
• 难以沉积铝铜合金，限制了CVD铝的应用
12
铝元素参数列表
名称 原子符号 原子序数 原子量 固体密度 摩尔体积
音速 硬度 电阻系数 反射率 熔点 沸点 热导系数 线性热膨胀系数 刻蚀物（湿法） 刻蚀物（干法） CVD源材料 主要应用
铝 Al 13 26.981,538,6 2.70 g/cm3 10.00 cm3 5100 m/s 2.75 2.7 μΩ·cm 71% 660.32 ℃ 2519 ℃ 235 W/(m·K) 23.110-6 K-1 H3PO4, HNO4, CH3COOH Cl2, BCl3 Al(CH3)2H 金属互连Al-Cu合金，HKMG MOSFET栅金属
和电特性、优越的抗腐蚀能力、易沉积、易刻蚀、易化学机械研磨
• 金属薄膜
– 铝、铝硅合金：金属互连 – 钨：接触窗和金属层间接触窗孔填充 – 钛、氮化钛：钨金属沉积工艺阻挡层和附着层，防止钨扩散和薄膜脱落 – 铜、铝铜合金：金属互连 – 钽、氮化钽：铜金属互连工艺阻挡层 – ……
4
铝铜互连集成电路芯片
– 硅化镍(NiSi)
• 60nm~10nm工艺节点，自对准金属硅化物工艺形成，显著降低退火温度
– 镍铂硅化物
• 镍靶材中加入铂并溅射到晶圆表面，解决硅化镍侵蚀硅衬底的缺陷
10
钴金属硅化物自对准工艺
钴金属硅化物自对准工艺示意图 (a) 钴沉积；(b) 硅化物退火；(c) 钴湿法刻蚀和第二次退火
11
铝铜互连集成电路芯片截面图
5
铜/低������互连集成电路芯片
铜/低������互连集成电路芯片截面图
6
集成电路制造工艺流程
集成电路制造工艺流程
7
导电薄膜
多晶硅
• 应用
– 栅极、局部互连线
• 工艺
– LPCVD工艺，源材料SiH4、SiH2Cl2，550~750 ℃ – 可以在临场沉积期间通过后续的离子注入大量掺杂硼、磷、砷
铝
• 应用
– 铜成为互连工艺主流之前，铝用作金属连线，易于进行干法刻蚀 – 离子注入工艺引入之前，铝用作栅极和连线材料
• 铝合金
– 铝硅合金、铝铜合金、铝硅铜合金 – 约1%的硅，可有效防止硅溶解在铝中形成尖凸现象 – 少量的铜，可显著增强铝的电迁移抵抗力(EMR)
• 工艺
– PVD工艺：质量较高、电阻率低
17
氮化钛
• 应用
– 阻挡层：防止钨扩散进入氧化层和硅衬底中 – 附着层：使钨附着于氧化硅表面 – 抗反射镀膜层(ARC)：比铝铜合金反射系数低很多，改进光刻解析度 – 铝合金顶部的氮化钛层可以防止小丘凸状物的产生并帮助抑制电迁移 – HKMG MOSFET工艺中，氮化钛用于金属栅电极 – 低������电介质双镶嵌刻蚀工艺中，金属硬掩膜保护OSG薄膜 – 埋字线DRAM晶体管阵列的栅电极、DRAM电容的电极
9
金属硅化物
• 应用
– 减小多晶硅互连电阻，提高电路速度
• 金属硅化物材料
– 硅化钛(TiSi2)
• 自对准金属硅化物工艺形成，钛溅射沉积在晶圆表面，再经过加热退火工艺
– 硅化钨(WSi2)
• WF6和SiH4为源材料的加热CVD工艺
– 硅化钴(CoSi2)
• 180nm~90nm工艺节点，自对准金属硅化物工艺形成
13
结面尖凸现象
结面尖凸现象示意图
14
电迁移过程
电迁移过程示意图
15
钛
• 应用
– 形成硅化钛(TiSi2)、氮化钛(TiN) – 焊接层：降低接触电阻，与氮化钛作为阻挡层以防止钨扩散进入衬底 – 润湿层、金属栅、金属硬掩膜层
• 工艺
– PVD工艺：磁控等离子体溅射工艺 – CVD工艺：TiCl4和H2在高温发生反应临场沉积
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钛元素参数列表
名称 原子符号 原子序数 原子量 固体密度 摩尔体积
音速 硬度 电阻系数 熔点 沸点 热导系数 线性热膨胀系数 刻蚀物（湿法） 刻蚀物（干法） CVD源材料 主要应用
钛 Ti 22 47.867 4.507 g/cm3 10.64 cm3 4140 m/s 6.0 40 μΩ·cm 1668 ℃ 3287 ℃ 21.9 W/(m·K) 8.610-6 K-1 H2O2, H2SO4 Cl2, NF3 TiCl4 Al-Cu金属化湿法刻蚀接触层，W阻挡层，与氮反应形成TiN
HKMG CMOS不同金属层的应用：(a) 先栅法；(b) 后栅法
20
钨Байду номын сангаас
• 应用
– 填充接触窗，形成钨栓塞连接金属层和硅表面 – 填充金属层间的通孔，为铝铜互连填充不同金属层间的通孔 – 应用于DRAM芯片形成位线和位线接触栓塞 – 钨或硅化钨可以和多晶硅形成DRAM的字线 – 对于埋字线DRAM，钨结合氮化钛用于形成字线和阵列晶体管的栅电极，
• 工艺
– PVD工艺：反应式溅射，氩气(Ar)和氮气(N2)等离子体 – CVD工艺：TiCl4和NH3高温CVD、TDMAT低温金属有机CVD(MOCVD) – ALD工艺：HKMG栅工艺、DRAM存储器的氮化钛沉积
18
钛和氮化钛的应用
铝铜互连集成电路芯片钛和氮化钛应用示意图
19
HKMG CMOS金属层应用
半导体制造技术导论（第二版）
第十一章 金属化工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介 • 导电薄膜 • 金属薄膜特性 • 金属化学气相沉积 • 物理气相沉积 • 铜金属化工艺 • 安全性
2
简介
金属化
• 金属化
– 一种添加工艺过程，将金属层沉积在晶圆表面 – 要求：低的电能损耗、高抗电迁移能力、低的薄膜应力、稳定的机械性
名称 原子符号 原子序数 原子量 固体密度 摩尔体积
音速 硬度 反射率 电阻系数 熔点 沸点 热导系数 线性热膨胀系数 刻蚀物（湿法） 刻蚀物（干法） CVD源材料 主要应用
与多晶硅结合形成位线和外围MOSFET的栅电极 – NAND闪存的位线和源极线，还可以和多晶硅形成字线
• 工艺
– 钨CVD工艺(WCVD)：WF6为源材料的CVD工艺沉积
• WF6和SiH4反应沉积钨，用于沉积成核层 • WF6和H2反应用于大量钨的沉积，该反应能填充狭窄的接触窗和通孔
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钨元素参数列表
– CVD工艺：较好的阶梯覆盖和间隙填充能力，但质量较差、电阻率较高
• 难以沉积铝铜合金，限制了CVD铝的应用
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铝元素参数列表
名称 原子符号 原子序数 原子量 固体密度 摩尔体积
音速 硬度 电阻系数 反射率 熔点 沸点 热导系数 线性热膨胀系数 刻蚀物（湿法） 刻蚀物（干法） CVD源材料 主要应用
铝 Al 13 26.981,538,6 2.70 g/cm3 10.00 cm3 5100 m/s 2.75 2.7 μΩ·cm 71% 660.32 ℃ 2519 ℃ 235 W/(m·K) 23.110-6 K-1 H3PO4, HNO4, CH3COOH Cl2, BCl3 Al(CH3)2H 金属互连Al-Cu合金，HKMG MOSFET栅金属
和电特性、优越的抗腐蚀能力、易沉积、易刻蚀、易化学机械研磨
• 金属薄膜
– 铝、铝硅合金：金属互连 – 钨：接触窗和金属层间接触窗孔填充 – 钛、氮化钛：钨金属沉积工艺阻挡层和附着层，防止钨扩散和薄膜脱落 – 铜、铝铜合金：金属互连 – 钽、氮化钽：铜金属互连工艺阻挡层 – ……
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铝铜互连集成电路芯片
– 硅化镍(NiSi)
• 60nm~10nm工艺节点，自对准金属硅化物工艺形成，显著降低退火温度
– 镍铂硅化物
• 镍靶材中加入铂并溅射到晶圆表面，解决硅化镍侵蚀硅衬底的缺陷
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钴金属硅化物自对准工艺
钴金属硅化物自对准工艺示意图 (a) 钴沉积；(b) 硅化物退火；(c) 钴湿法刻蚀和第二次退火
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铝铜互连集成电路芯片截面图
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铜/低������互连集成电路芯片
铜/低������互连集成电路芯片截面图
6
集成电路制造工艺流程
集成电路制造工艺流程
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导电薄膜
多晶硅
• 应用
– 栅极、局部互连线
• 工艺
– LPCVD工艺，源材料SiH4、SiH2Cl2，550~750 ℃ – 可以在临场沉积期间通过后续的离子注入大量掺杂硼、磷、砷
铝
• 应用
– 铜成为互连工艺主流之前，铝用作金属连线，易于进行干法刻蚀 – 离子注入工艺引入之前，铝用作栅极和连线材料
• 铝合金
– 铝硅合金、铝铜合金、铝硅铜合金 – 约1%的硅，可有效防止硅溶解在铝中形成尖凸现象 – 少量的铜，可显著增强铝的电迁移抵抗力(EMR)
• 工艺
– PVD工艺：质量较高、电阻率低
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氮化钛
• 应用
– 阻挡层：防止钨扩散进入氧化层和硅衬底中 – 附着层：使钨附着于氧化硅表面 – 抗反射镀膜层(ARC)：比铝铜合金反射系数低很多，改进光刻解析度 – 铝合金顶部的氮化钛层可以防止小丘凸状物的产生并帮助抑制电迁移 – HKMG MOSFET工艺中，氮化钛用于金属栅电极 – 低������电介质双镶嵌刻蚀工艺中，金属硬掩膜保护OSG薄膜 – 埋字线DRAM晶体管阵列的栅电极、DRAM电容的电极
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金属硅化物
• 应用
– 减小多晶硅互连电阻，提高电路速度
• 金属硅化物材料
– 硅化钛(TiSi2)
• 自对准金属硅化物工艺形成，钛溅射沉积在晶圆表面，再经过加热退火工艺
– 硅化钨(WSi2)
• WF6和SiH4为源材料的加热CVD工艺
– 硅化钴(CoSi2)
• 180nm~90nm工艺节点，自对准金属硅化物工艺形成
13
结面尖凸现象
结面尖凸现象示意图
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电迁移过程
电迁移过程示意图
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钛
• 应用
– 形成硅化钛(TiSi2)、氮化钛(TiN) – 焊接层：降低接触电阻，与氮化钛作为阻挡层以防止钨扩散进入衬底 – 润湿层、金属栅、金属硬掩膜层
• 工艺
– PVD工艺：磁控等离子体溅射工艺 – CVD工艺：TiCl4和H2在高温发生反应临场沉积
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钛元素参数列表
名称 原子符号 原子序数 原子量 固体密度 摩尔体积
音速 硬度 电阻系数 熔点 沸点 热导系数 线性热膨胀系数 刻蚀物（湿法） 刻蚀物（干法） CVD源材料 主要应用
钛 Ti 22 47.867 4.507 g/cm3 10.64 cm3 4140 m/s 6.0 40 μΩ·cm 1668 ℃ 3287 ℃ 21.9 W/(m·K) 8.610-6 K-1 H2O2, H2SO4 Cl2, NF3 TiCl4 Al-Cu金属化湿法刻蚀接触层，W阻挡层，与氮反应形成TiN
HKMG CMOS不同金属层的应用：(a) 先栅法；(b) 后栅法
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钨Байду номын сангаас
• 应用
– 填充接触窗，形成钨栓塞连接金属层和硅表面 – 填充金属层间的通孔，为铝铜互连填充不同金属层间的通孔 – 应用于DRAM芯片形成位线和位线接触栓塞 – 钨或硅化钨可以和多晶硅形成DRAM的字线 – 对于埋字线DRAM，钨结合氮化钛用于形成字线和阵列晶体管的栅电极，
• 工艺
– PVD工艺：反应式溅射，氩气(Ar)和氮气(N2)等离子体 – CVD工艺：TiCl4和NH3高温CVD、TDMAT低温金属有机CVD(MOCVD) – ALD工艺：HKMG栅工艺、DRAM存储器的氮化钛沉积
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钛和氮化钛的应用
铝铜互连集成电路芯片钛和氮化钛应用示意图
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HKMG CMOS金属层应用
半导体制造技术导论（第二版）
第十一章 金属化工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介 • 导电薄膜 • 金属薄膜特性 • 金属化学气相沉积 • 物理气相沉积 • 铜金属化工艺 • 安全性
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简介
金属化
• 金属化
– 一种添加工艺过程，将金属层沉积在晶圆表面 – 要求：低的电能损耗、高抗电迁移能力、低的薄膜应力、稳定的机械性
名称 原子符号 原子序数 原子量 固体密度 摩尔体积
音速 硬度 反射率 电阻系数 熔点 沸点 热导系数 线性热膨胀系数 刻蚀物（湿法） 刻蚀物（干法） CVD源材料 主要应用
与多晶硅结合形成位线和外围MOSFET的栅电极 – NAND闪存的位线和源极线，还可以和多晶硅形成字线
• 工艺
– 钨CVD工艺(WCVD)：WF6为源材料的CVD工艺沉积
• WF6和SiH4反应沉积钨，用于沉积成核层 • WF6和H2反应用于大量钨的沉积，该反应能填充狭窄的接触窗和通孔
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钨元素参数列表