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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电子科大微电子工艺金属化,*,电子科大微电子工艺金属化,2025/6/8 周日,电子科大微电子工艺金属化,7.1 引 言,金属化,是芯片制造过程中在绝缘介质膜上淀积金属 膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程。金属化是化学气相淀积、溅射、光刻、刻蚀、化学机械平坦化等单项工艺的工艺集成。,电子科大微电子工艺金属化,金属化连接,接触孔,电子科大微电子工艺金属化,芯片金属化技术术语,1.,互连,指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用以传输电信号,2.,接触,是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表面的连接,3.,通孔,是穿过各层介质层从某一金属层到相邻的另一金属层形成电通路的开口,4.,填充薄膜,是指金属薄膜填充通孔以便在两层金属层之间形成电连接。,电子科大微电子工艺金属化,现代集成电路对金属膜的要求,1.,电阻率低：,能传导高电流密度,2.,粘附性好：,能够粘附下层衬底实现很好的电连接，半导体与金属连接时接触电阻低,3.,易于淀积：,容易成膜,4.,易于图形化：,对下层衬底有很高的选择比，易于平坦化,5.,可靠性高：,延展性好、抗电迁徙能力强,6.,抗腐蚀性能好,7.,应力低：,机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属线断裂、空洞。,电子科大微电子工艺金属化,集成电路金属化技术常用的金属种类,铝,铝铜合金,铜,阻挡层金属,硅化物,金属填充塞,电子科大微电子工艺金属化,集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率,电子科大微电子工艺金属化,金属化工艺,物理气相淀积（PVD）,化学气相淀积（CVD）,金属淀积系统,1.蒸发,2.溅射,3.金属CVD,4.铜电镀,电子科大微电子工艺金属化,铝,铝的优点,1.电阻率低（2.65,cm）,2.与硅和二氧化硅的粘附性好,3.与高掺杂的硅和多晶硅有很好的欧姆接触（合金化温度450500）,4.易于淀积成膜,5.易于光刻和刻蚀形成微引线图形,7.2 金属化技术,电子科大微电子工艺金属化,6.抗腐蚀性能好，因为铝表面总是有一层抗腐蚀性,好的氧化层（Al,2,O,3,）,7.铝的成本低,铝的缺点,1.纯铝与硅的合金化接触易产生PN结的,穿通现象,2.会出现,电迁徙现象,电子科大微电子工艺金属化,结穿通现象,在纯铝和硅的界面加热合金化过程中（通常,450500,），硅将开始溶解在铝中直到它在铝中的浓度达到,0.5,为止，硅在铝中的溶解消耗硅且由于硅界面的情况不同，就在硅中形成空洞造成,PN,穿通现象的发生。结穿通引起,PN,结短路。,电子科大微电子工艺金属化,解决结穿刺问题的方法：,1.采用,铝硅（12%）合金或铝,硅（12%）铜（24%）合金替代纯铝；,2.引入,阻挡层金属化以抑制硅扩散。,电子科大微电子工艺金属化,控制纯铝电迁徙现象的办法是采用,铝铜（0.54%）合金替代纯铝,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。,电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近的金属线短路。,纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发生电迁徙现象。,电子科大微电子工艺金属化,电迁徙现象的SEM照片,电迁徙,电子科大微电子工艺金属化,铜,在深亚微米IC制造中，RC延迟是一个突出问题,随着集成电路的集成度不断提高、关键尺寸不断减小、电路性能不断增强，在现代先进的,IC,制造技术中采用了铜互连技术。在深亚微米技术中铜互连将取代铝互连，一个重要的原因就是,减小金属线的寄生电阻和相邻金属线间的寄生电容以减小RC延迟提高电路速度。,电子科大微电子工艺金属化,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！,电子科大微电子工艺金属化,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。,电子科大微电子工艺金属化,铜的优点,1.电阻率更低（1.678,cm）使相同线宽传导的,电流大,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,4.可靠性高：有良好的抗电迁徙性能,5.更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少2030,6.易于淀积（铜CVD、电镀铜）,7.铜的成本低,电子科大微电子工艺金属化,铜的缺点,1.不能干法刻蚀铜,2.铜在硅和二氧化硅中扩散很快，芯片中的铜杂质沾,污使电路性能变坏,3.抗腐蚀性能差，在低于200的空气中不断被氧化,克服铜缺点的措施,1.采用,大马士革工艺,回避干法刻蚀铜,2.用,金属钨做第一层金属,解决了电路底层器件的铜沾污,电子科大微电子工艺金属化,大马士革工艺,大马士革是叙利亚的一个城市名，早期大马士革的一位艺术家发明了在金银首饰上镶嵌珠宝的工艺，该工艺被命名为大马士革。集成电路的铜布线技术和大马士革工艺相似。,电子科大微电子工艺金属化,传统Al布线工艺与大马士革Cu工艺的差别,电子科大微电子工艺金属化,传统布线工艺,与双大马士革工艺的差别,电子科大微电子工艺金属化,双大马士革铜金属化工艺流程,电子科大微电子工艺金属化,电子科大微电子工艺金属化,电子科大微电子工艺金属化,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,电子科大微电子工艺金属化,常用的阻挡层金属,1.Ti,TiN,2.TaTaN,（主要用于铜布线）,电子科大微电子工艺金属化,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,TiSi,2,、CoSi,2,）,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。,电子科大微电子工艺金属化,硅化物的基本特性,1.,电阻率低,（,Ti：60,cm，TiSi,2,：1317,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,常用的硅化物,1.,硅化钛,TiSi,2,2.,硅化钴,CoSi,2,（,0.25um,及以下）,电子科大微电子工艺金属化,CMOS结构的硅化物,电子科大微电子工艺金属化,自对准金属硅化物的形成,电子科大微电子工艺金属化,金属填充塞,电子科大微电子工艺金属化,0.18m STI 硅化钴 6层金属IC的逻辑器件,电子科大微电子工艺金属化,7.3 金属淀积系统,金属淀积系统,：,1.蒸发,2.溅射,3.金属CVD,4.铜电镀,半导体传统金属化工艺,物理气相淀积（PVD）,SSI、MSI蒸发,LSI以上溅射,电子科大微电子工艺金属化,蒸发,是在高真空中，把固体成膜材料加热并使之变成气态原子淀积到硅片上的物理过程。,蒸发的工艺目的,在硅片上淀积金属膜以形成金属化电极结构。,成膜材料的加热方式,：蒸发器分为电阻加热、电子束加热、高频感应加热等三种。在蒸发工艺中，本底真空通常低于,10,6,Torr。,金属淀积系统,蒸发,电子科大微电子工艺金属化,简单的蒸发系统,机械泵,Roughing pump,Hi-Vac valve高真空阀,高真空泵,Hi-Vac pump,Process chamber工艺腔（钟罩),Crucible,坩锅,Evaporating metal蒸发金属,Wafer carrier 载片台,电子科大微电子工艺金属化,电子束蒸发,是电子束加热方式的蒸发，是在高真空中，电子枪发出电子经系统加速聚焦形成电子束、再经磁场偏转打到坩锅的成膜材料上加热，并使之变成气态原子淀积到硅片上的物理过程。,在蒸发技术中，电子束蒸发占主流。,电子科大微电子工艺金属化,电子束蒸发系统的组成：,1.,高压电源系统,2.,真空系统,3.,电子加速聚焦偏转系统,4.,工艺腔,5.,水冷坩锅系统（通常为带旋转的四坩锅）,6.,载片架,电子科大微电子工艺金属化,电子束蒸发系统,电子束蒸发系统,电子科大微电子工艺金属化,电子束蒸发过程,电子束蒸发的3个基本步骤：,1.,在高真空腔中，电子枪发射的电子经加速获得足够的动能并聚焦形成电子束。,2.,电子束经磁场偏转，向成膜材料轰击加热并使之蒸发,3.,成膜材料蒸发出的原子或分子在高真空环境下的平均自由程增加，并以直线运动形式撞到硅片表面凝结形成薄膜。,电子科大微电子工艺金属化,蒸发的优点,：,1.金属膜淀积速率高，常用于功率器件的厚金属化,电极（厚度达到,5.0m,）,蒸发的缺点,：,1.台阶覆盖能力差,2.不能淀积金属合金,正因为第一个缺点，在大规模集成电路制造中，蒸发被溅射所替代。,电子科大微电子工艺金属化,溅射,是在高真空下，利用高能粒子撞击具有高纯度的靶材料表面，撞击出的原子最后淀积在硅片上的物理过程。,在溅射工艺中，本底真空通常低于,10,7,Torr,，工作真空通常为,10,3,Torr,左右。高能粒子通常选用惰性气体氩Ar离子，氩离子不与其它物质发生化学反应。,溅射的工艺目的,：同蒸发,金属淀积系统,溅射,电子科大微电子工艺金属化,溅射过程,溅射有6个基本步骤：,1.,在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有负,电势的靶材料加速。,2.,在加速中离子获得动能，并轰击靶。,3.,离子通过物理过程从靶表面撞击出（溅射）原子。,电子科大微电子工艺金属化,4.,被撞击出（溅射）的原子迁移到硅表面。,5.,被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成膜。薄膜具,有与靶相同的材料组分。,6.,多余粒子由真空泵抽走。,电子科大微电子工艺金属化,溅射过程,Exhaust,e-,e-,e-,DC直流二极管溅射装置,Substrate,1)电场产生Ar,+,离子,2)高能Ar,+,撞击靶材,3)将金属原子从靶材中撞出.,阳极(+),阴极,(-),Ar原子,电场,金属靶材,等离子体,5)金属淀积在衬底上,6)用真空泵将多于物质从腔体中抽出,4)金属原子向衬底迁移,Gas delivery,+,+,+,+,+,电子科大微电子工艺金属化,溅射过程,+,0,高能量的Ar,+,离子,被溅射出的金属原子,金属原子,阴极(-),弹回的氩离子和自由电子复合形成中性原子,电子科大微电子工艺金属化,溅射离子的能量范围,0.5KEV5.0KEV,能量太小轰击不出来靶材料原子，能量太大产生氩离子注入现象。,溅射率（溅射产额）,每个入射离子轰击出的靶原子数,影响溅射率的因素,1.,轰击离子的入射角,2.,靶材料的组分和它的几何因素,3.,轰击离子的质量,4.,轰击离子的能量,电子科大微电子工艺金属化,溅射的优点：,1.,台阶覆盖能力好,2.,能淀积金属合金（成膜组分与靶材组分相同）,溅射的缺点：,1.,溅射速率低,电子科大微电子工艺金属化,溅射系统分类,1.,RF（射频）溅射系统,2.,磁控溅射系统,3.,IMP（离子化的金属等离子体）系统,RF（射频）溅射系统缺点：溅射速率低。,磁控溅射系统是现代集成电路制造最广泛应用的溅射系统。,IMP的优点：填充高深宽比的通孔和狭窄沟道能力强，满足深亚0.25m的应用。,电子科大微电子工艺金属化,RF（射频）溅射系统,电子科大微电子工艺金属化,磁控溅射,是一种高密度等离子体溅射，是利用靶表面附近的正交电磁场使电子平行靶表面做回旋运动，从而大大增加了与氩原子的碰撞几率，显著地提高了等离子体区的Ar离子密度，使溅射速率成倍增加。,在溅射技术中，磁控溅射占主流。,电子科大微电子工艺金属化,蒸发和溅射的比较,特点,优 点,缺 点,电子束蒸发,1.成膜速率高（能蒸发5微米厚的铝膜）,1.台阶覆盖差,2.不能淀积合金材料,磁控,溅射,1.能淀积复杂的合金材料,2.能淀积难熔金属和非金属,3.台阶覆盖好,4.很好的均匀性控制,1.成膜速率适中,2.设备复杂昂贵,电子科大微电子工艺金属化,钨CVD,气源：WF,6,淀积方法：LPCVD,铜CVD,：制作种子层50100nm,金属淀积系统,CVD,WF,6,+3 H,2,W+6 HF,电子科大微电子工艺金属化,金属淀积系统,铜电镀,电子科大微电子工艺金属化,金属淀积系统,电子科大微电子工艺金属化,演讲完毕，谢谢听讲,!,再见，see you again,3rew,2025/6/8 周日,电子科大微电子工艺金属化,