芯片半导体制造工艺-第十三章 金属化

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。
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。
半导体制造技术
第十三章
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。
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均匀的结构和组分 4. 刻印图形/平坦化：提供高分辨率的光刻图形 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
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。
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。
氧化硅通孔2刻蚀 钨淀积 + CMP
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）。
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
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。
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。
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 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
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.
• 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
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
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
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