第五讲:金属化工艺PPT课件.ppt
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1、电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda金属化金属化金属化金属化 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda概概 述述 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。减小互
2、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。电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda目目 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。电信学院微电子教研室半导
3、体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda引引 言言 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
4、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半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda多多层金属化金属化层间介质金属互连结构在硅中扩散的有源区亚0.25m CMOS 剖面具有钨塞的通孔互连结构复合金属互连局部互连(钨)初始金属接触Figure 12.1 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda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。
5、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)。电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda传统和大和大马士革金属化比士革金属化比较传统互连流程氧化硅通孔2刻蚀 钨淀积+CMP金属2淀积+刻蚀覆盖 ILD 层和 CMP双大马士革流程覆盖 IL
6、D 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铜填充铜CMPFigure 12.2 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda铜金属化金属化Photo 12.1 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda 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:1.导电率率:要求高导电率,能够传道高电流密度。2.黏附性:黏附性:能够黏附下层衬底,容易与外电路实现电连接3.淀淀积:易于淀积经相对低温处理后具
7、有均匀的结构和组分4.刻印刻印图形形/平坦化:平坦化:提供高分辨率的光刻图形5.5.可靠性:可靠性:经受温度循环变化,相对柔软且有好的延展性6.抗腐抗腐蚀性:性:很好的抗腐蚀性,层与层以及下层器件区有最7.小的化学反应。7.应力: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。金属金属类型型 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅和硅片制造硅和硅片制造业中所中所选择的金属的金属(at 20C)Table 12.1 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda在硅
8、片制造在硅片制造业中中各种金属和金属合金可各种金属和金属合金可组成下列种成下列种类铝铝铜合金铜阻挡层金属硅化物金属填充塞 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda金金 属属 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2.65-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
9、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。电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda铝 互互 连Figure 12.3 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda欧姆接触欧姆接触 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400500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
10、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)。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。电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda欧姆接触欧姆接触结构构Gate阻挡层金属欧姆接触铝、钨、铜等SourceDrainOxideFigure 12.4 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda结“穿穿
11、通通”:在加热过程中,铝和硅之间易出现不希望的反应,该反应导致接触金属和硅形成微合金,这一过程被称为结“穿通”。当纯铝和硅界面加热时结尖刺发生,并导致硅向铝中扩散。结尖刺的问题可通过在铝中添加硅和阻挡层金属化两种方法解决。结短路浅结Figure 12.5 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda铝铜合合金金:由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性,因此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒,在金属表面金属原子堆起来形成小丘(如图所示)如果大量的小丘形成,毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接
12、在一起。在ULIS技术、高级电路的设计中,芯片温度会随着电流密度而增加,两者都会使铝芯片金属化更易引起电迁徒。小丘短接的两条金属线金属线中的空洞Figure 12.6 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian SerdaIC互互连金属化引入金属化引入铜的的优点点1.电阻率的减小:在20时,互连金属线的电阻率从铝的2.65 mW-cm 减小到铜的1.678 mW-cm;减少RC的信号延迟,增加芯片速度。2.功耗的减少:减小了线的宽度,降低了功耗。3.更高的集成密度:更窄的线宽,允许更高密度的电路集成,这意味着需要更少的金属层。4.良好的抗电迁徒性能
13、:铜不需要考虑电迁徒问题。5.更少的工艺步骤:用大马士革 方法处理铜具有减少工艺步骤 20 to 30%的潜力。电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda与与 0.25-m 器件比器件比较互互连延延迟的的变化化Table 12.2 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda铝和和铜之之间特性和工特性和工艺的比的比较Table 12.3 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda对铜的挑的挑战 与传统的铝互连比较,用铜作为半
14、导体互连主要涉及三个方面的挑战,这些挑战明显不同于铝技术,在铜应用与IC互连之前必须解决:1.铜快速扩散进氧化硅和硅,一旦进入器件的有源区,将会损坏器件。2.应用常规的等离子体刻蚀工艺,铜不能容易形成图形。干法刻蚀铜时,在它的化学反应期间不产生挥发性的副产物,而这对于经济的干法刻蚀是必不可少的。3.低温下(200)空气中,铜很快被氧化,而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda用用于于铜互互连结构构的的阻阻挡层:提高欧姆接触可靠性更有效的方法是用阻挡层金属化,这种方法可消除诸如浅结材料刻蚀或结尖刺的问
15、题。阻挡层金属是淀积金属或金属塞,作用是阻止层上下的材料互相混合(见下图)。其厚度对0.25m工艺来说为100nm;对0.35m工艺来说为400600nm。阻挡层金属铜Figure 12.7 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda 阻挡层金属在半导体工业中被广泛应用。为了连接铝互连金属和硅源漏之间的钨填充薄膜接触,阻挡层金属阻止了硅和钨互相进入接触点,也阻止了钨和硅的扩散以及任何结尖刺。可接受的阻阻挡层金属的基本特征:金属的基本特征:1.有很好的阻挡扩散作用;2.高导电率具有很低的欧姆接触电阻;3.在半导体和金属之间有很好的附着;4
16、.抗电迁徒;5.在很薄的并且高温下具有很好的稳定性;6.抗侵蚀和氧化。电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda 铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率,这种高扩散率将破坏器件的性能。传统的阻挡层金属对铜来说阻挡作用不够,铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来,这层封闭薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。对铜来说对这个特殊的阻挡层金属要求:1.阻止铜扩散;2.低薄膜电阻;3.对介质材料和铜都有很好的附着;4.与化学机械平坦化过程兼容;5.具有很好的台阶覆盖,填充高深宽比间隙的金属层是连续、等角的;6.允许铜有很小的厚度,占据最大的横截面积。电
17、信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda钽作作为铜的的阻阻挡层金金属属:对于铜互连冶金术来说,钽、氮化钽和钽化硅(TaSiN)都是阻挡层金属的待选材料,阻挡层厚度必须很薄(约75埃),以致它不影响具有高深宽比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色。铜钽Figure 12.8 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅化物硅化物 难熔金属与硅在一起发生反应,熔合时形成硅化物。硅化物是一种具有热稳定性的金属化合物,并且在硅/难熔金属的分界面具有低的电阻率(如下图)。在硅片制造业
18、中,难熔金属硅化物是非常重要的,因为为了提高芯片性能,需要减小许多源漏和栅区硅接触的电阻。在铝互连技术中,钛和钴是用于接触的普通难熔金属。如果难熔金属和多晶硅反应。那么它被称为多晶硅化物(见下图)。掺杂的多晶硅被用作栅电极,相对而言它有较高的电阻率(约500-cm),正是这导致了不应有的RC信号延迟。多晶硅化物对减小连接多晶硅的串联导致是有益的,同时也保持了多晶硅对氧化硅好的界面特性。电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅接触上的硅接触上的难溶金属硅化物溶金属硅化物钛/钛钽阻挡层金属金属钨钛硅化物接触Silicon substra
19、te多晶硅栅钛硅化物接触OxideOxideSourceDrainFigure 12.9 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda多晶硅上的多晶硅化物多晶硅上的多晶硅化物钛多晶硅化物钛硅化物多晶硅栅掺杂硅Figure 12.10 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅化物的一些特性硅化物的一些特性电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian SerdaTiSi2的退火相的退火相Figure 12.11 电信学院微电子教研室半导体
20、制造技术by Michael Quirk and Julian Serda自对准硅化物由于在优化超大规模集成电路的性能方面,需要进一步按比列缩小器件的尺寸,因此在源/漏和第一金属层之间电接触的面积是很小的。这个小的接触面积将导致接触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源/漏区接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。它能很好地与露出的源、漏以及多晶硅栅的硅对准。许多芯片的性能问题取决于自对准硅化物的形成(见下图)。自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda与自与自对准硅化物有关的芯片性能准硅化物有关
21、的芯片性能问题STITiSi2STISGDTiSi2TiSi2TiSi2减少的方阻减少栅的电阻减少的接触电阻减少的二极管漏电Figure 12.12 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda自自对准金属硅化物的形成准金属硅化物的形成2.钛淀积Silicon substrate1.有源硅区场氧化层侧墙氧化层多晶硅有源硅区3.快速热退火处理钛硅反应区4.去除钛TiSi2 形成Figure 12.13 电信学院微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda金属填充塞金属填充塞多层金属化产生了对数
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