半导体工艺第六章

第六章习题
6-1 解释欧姆接触，并说明形成欧姆接触的常用方法。

欧姆接触是指金属与半导体之间的电压与电流的关系具有对称和线性关系，而且接触电阻尽可能低，不产生明显的附加阻抗。

常用方法：扩散法和合金法
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。

合金法：是利用合金工艺对金属互联线进行热处理，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。

6-2 列出并描述集成电路制造中对金属薄膜的要求。

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
6-3 列出半导体制造中使用的金属种类，并说明每种金属的用途。

种类：铝、铝铜合金、铜、阻挡层金属、硅化物和钨
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。

铝铜合金：有效解决电迁徙问题。

铜：作为互连线。

阻挡层金属：防止上下层材料相互扩散。

硅化物：减小接触电阻。

钨：填充通孔。

6-4 解释铝已被选择作为微芯片互连金属的原因。

（1）较低的电阻率
（2）铝价格低廉
（3）工艺兼容性
（4）铝膜与下层衬底（通常是硅、二氧化硅或氮化硅）具有良好的粘附性
6-5 哪种金属已经成为传统互连金属线?什么是它的取代物？
铝已经成为传统互连金属线，铝铜合金是它的取代物
6-6 描述结尖刺现象，如何解决结尖刺问题？
由于硅在铝中的溶解度比较高，形成合金时，硅会从衬底向铝中溶解，这样就在接触区下层的硅中留下空洞，从而有可能发生尖刺效应。

解决方法：在接触区引入阻挡层金属可阻止上下层材料互相混合。

6-7 描述电迁徙现象，如何解决电迁徙现象？
电迁徙现象:在大电流密度的情形下，大量电子对金属原子的持续碰撞，会引起原子逐渐而缓慢的移动。

6-8 列出并讨论引入铜金属化的原因。

（1）更低的电阻率
（2）减少了功率
（3）更高的互连线集成密度
（4）良好的抗电迁徙性能
（5）更少的工艺步骤
6-9 互联金属转向铜时所面临的三大主要挑战是什么？
（1）铜在氧化硅和硅中的扩散率很高
（2）铜很难被刻蚀
（3）在小于200℃低温的空气中，铜很快被氧化，而且这一层氧化膜不会阻止铜进一步氧化
6-10 什么是阻挡层金属？说出使用阻挡层金属的原因。

哪种金属常被用做阻挡层金属？
阻挡层金属：用于硅和铝之间的扩散阻挡的金属。

原因：防止上下层材料相互扩散。

常用做阻挡层的金属：钛、钨、钽、钛钨、氮化钛
6-11 定义硅化物，并解释难熔金属硅化物在硅片制造业中地位比较重要的原因。

硅化物：是一种具有热稳定性的金属化合物
原因：（1）被用于晶体管硅有源区和金属层或钨填充塞之间的接触，提供很低的接触电阻，并能够紧紧地把钨和硅粘合在一起
（2）难熔金属被淀积到多晶硅表面与多晶硅反应，形成了多晶硅化物，这使得多晶硅栅极的接触电阻大大减小，从而降低了RC信号延迟。

（3）硅化物也常被用于局部互连
6-12 画出并解释自对准硅化物形成的工艺流程。

流程:a)清洗和干燥硅片→b)钛薄膜淀积→c)第一次退火形成金属硅化物→d)刻蚀去除未反应的钛并第二次退火
（1）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。

（2）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（3）将硅片进行第一次快速热退火，退火温度为625-675℃。

快速热退火后形成具有较高电阻率的C49相金属硅化物。

（4）通过氢氧化铵和过氧化氢的湿法化学去掉所有未参加反应的钛。

留下的钛化硅覆盖在源、漏和多晶硅栅区的顶部。

然后进行第二次热退火，退火温度为800-900℃之间。

C49相经过第二次热退火后形成了具有低电阻率的C54相金属硅化物。

6-13 解释钨填充塞被采用的原因，描述在通孔中淀积钨的方法。

淀积钨最常用的是化学气相淀积（CVD）方法，CVD法的优点是台阶覆盖能力强，因而CVD钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力。

这也是钨被用于通孔填充材料的原因。

6-14 描述蒸发工艺，并说明蒸发工艺的缺点。

蒸发是指在真空系统中，经过加热使金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。

缺点：不能产生均匀的台阶覆盖，对淀积合金的限制。

6-15 描述溅射工艺，并说明溅射的工艺特点。

溅射是利用高能粒子撞击具有高纯度的靶材料固体平板，按物理过程撞击出原子，被撞出的原子穿过真空最后淀积在硅片上。

工艺特点：
（1）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
（2）能获得良好的台阶覆盖
（3）形成的薄膜与硅片表面的粘附性比蒸发工艺更好
（4）能够淀积难熔金属
（5）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层
6-16 采用铜电镀方法淀积铜金属的原因是什么？
铜电镀工艺具有成本低、工艺简单、无需真空支持、增大电流可提高淀积速率等优点6-17 如何解决铜电镀中高深宽比沟槽的填充问题？
解决铜电镀中高深宽比沟槽的填充问题的方法：（1）脉冲电镀法（2）添加剂法
6-18 解释双大马士革工艺与传统互联线制作的不同之处。

对铜金属化应用双大马士革法最重要的原因是避免了金属刻蚀。

与传统的铝金属化比较，双大马士革法不仅使工艺步骤减少了20%-30%，而且排除或减少了传统铝互连金属化中最难的步骤，包括铝刻蚀和许多铝与介质的化学机械抛光步骤。

6-19 简要画出双大马士革工艺流程。

1.层间介质淀积→
2.金属2的线槽刻蚀→
3.金属层间通孔刻蚀→
4.淀积阻挡层金属→
5.淀积铜种子层→
6.铜电镀→
7.用CMP清除额外的铜。