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微电-金属化


IC制造各主要工艺技术 之 金属化
麻思源 出 品

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什么是金属化? 分类 设备 要点 步骤

1 金属化的概念及作用
在硅片上制造芯片可以分为两部分:第一,在硅片上利用各种 工艺(如氧化、CVD、掺杂、光刻等)在硅片表面制造出各种有源 器件和无源元件。第二,利用金属互连线

将这些元器件连接起来形 成完整电路系统。金属化工艺(Metallization)就是在制备好的元 器件表面淀积金属薄膜,并进行微细加工,利用光刻和刻蚀工艺刻 出金属互连线,然后把硅片上的各个元器件连接起来形成一个完整 的电路系统,并提供与外电路连接接点的工艺过程。 金属化的作用 金属化在集成电路中主要有两种应用: 一种是制备金属互连线,另一种是形成接触。

1.金属互连线 2.接触
1)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。 2)合金法是利用合金工艺对金属互连线进行热处理,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。

金属互连线与半导体区之间的接触

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分类
半导体制造中对金属材料的要求 金属化技术在中、小规模集成电路制造中并不是十分关键。但是随着 芯片集成度越来越高,金属化技术也越来越重要,甚至一度成为制约集成 电路发展的瓶颈。早期的铝互连技术已不能满足高性能和超高集成度对金 属材料的要求,直到铜互连技术被应用才解决了这个问题。硅和各种金属 材料的熔点和电阻率见表1。为了提高IC性能,一种好的金属材料必须满 足以下要求: 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。

表1.硅和各种金属材料的熔点和电阻率(20°C)

表1 硅和各种金属材料的熔点和电阻率(20°C)


与硅和二氧化硅一样,铝一直是半导体制造技术中最主要的材料之一。 从集成电路制造早期开始就选择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。直至21世纪初期,为了进一步提高IC性能,在较高性能 的超大规模集成电路(VLSI)中开始应用铜互连技术。但铝在集成电路制造 中地位仍然非常重要,选择铝作为金属互连线是因为铝具有以下优势: 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

铝铜合金
前文介绍到铝存在电迁徙问题。电流是通过导体内电子的移动产生的,电子在 移动的过程中会与金属原子发生碰撞。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,这就电迁徙现象。由于金属原子质 量远远大于电子的质量,通常在导体横截面积较大的情况下,不会考虑电迁徙现象 。但是由于互连线的特征图形尺寸越来越细,这时候铝互连电迁徙现象引发的问题 就更加明显。铝原子的移动导致导体中某些位置原子的损耗,以至于产生空洞,最 终引起互连线局部减薄或变细,直至产生断路。在导体的其他区域,铝原子堆积起 来则形成小丘,外在表现为金属薄膜表面鼓出,如果有过多或大量的小丘形成,可 能会与毗邻的连线短接在一起,如图2所示。这些情况都是芯片在使用一段时间后 才经常发生。

迁徙已经变成影响芯片可靠性问题的重要因素,是集成电路中广泛研究 的失效机制问题之一。

图2 由电迁徙引起的铝互连线断路与短路现象


1.铜的优点 1)更低的电阻率。2)减少了功耗。 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。 2.铜在实际实用中的一些难题 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。

多层铜互连技术

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步骤流程

蒸发
在半导体制造早期,蒸发法是最主要的金属淀积方法。然而为了获 得更好的台阶附覆盖能力以及更高的淀积速率,从20世纪70年代的后期 开始,在大多数硅片制造技术领域里溅射已经取代蒸发。尽管如此,在 一些对薄膜台阶附覆盖能力要求不太高的中小规模集成电路制造中仍在 使用蒸发法淀积金属薄膜。在封装工艺中,蒸发也被用来在晶片的背面 淀积金,以提高芯片和封装材料的粘合力。

1.加热器 原理图

蒸发系统中的加热方式

2.片架 3.真空系统 1)准备。 2)抽真空。 3)基片加热。 4)蒸发。 5)取片。

溅射
溅射是物理气相淀积(PVD)的另一种淀积形式。与蒸发一样,也是一 个物理过程,但是它对真空度的要求不像蒸发那么高,通入氩气前后分别是 10-7Torr和10-3Torr(1Torr=133.322Pa)。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。

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(被 称为溅射刻蚀)。 1.溅射方法 (1)直流二极溅射 直流二极溅射是最早采用的溅射方法。 (2)射频溅射 这种方法既可以淀积金属,也可以淀积绝缘材料,是在大规模集 成电路制造工艺中最常用的一种溅射类型。 (3)磁控溅射 直流溅射离化率低,射频溅射离化率有提高,但不显著。

射频溅射设备示意图

金属CVD
对于金属薄膜,更多的是选择物理气相淀积(PVD)法进行淀积,即蒸发和溅 射。然而,化学气相淀积(CVD)工艺在获得优良的等角台阶覆盖和对高深宽比通 孔无间隙式的填充等方面有着明显的优势。当器件的特征尺寸减小到0.15μ m或更 小时,金属CVD的优势更加突出。所以在某些金属层结构中使用金属CVD的方法进 行淀积可以得到更好的效果,比如制备具有高深宽比的钨塞和要求等角台阶覆盖的 薄铜种子层等。 1.钨CVD 2.铜CVD

传统金属化流程

传统的互连金属是铝铜合金(99%铝,1%铜),并用Si O2作为层间介质隔离层。以下是制备第二层金属的传统铝互 连技术的工艺流程。该过程中铝被淀积为薄膜,然后被刻蚀 掉(减去)以形成电路。

第一层金属

1. 第一层金属(金属1) 2.通孔2的形成 3.钨塞2的形成

形成通孔2

形成钨塞2

4.淀积金属2

淀积金属2

5.刻蚀出互连线

刻蚀出互连线

刻蚀金属2

双大马士革流程
铜金属化在各方面的性能比铝更具优势,半导体产业正在实现用铜做微芯 片的互连材料。而传统工艺中的干法刻蚀铜不能产生易挥发的副产物,因此铜 不适合干法刻蚀。这个问题直接导致铜金属化不能采用传统的工艺流程进行。 双大马士革工艺是通过层间介质刻蚀形成孔和槽,确定好线宽和图形间距,然 后将铜淀积至刻蚀好的图形,再经过化学机械抛光除掉多余的铜。利用这种方 法不需要金属刻蚀而且通孔和引线同时被制备好。所以使用双大马士革法完成 铜金属化成为最佳选择。

1.层间介质淀积

层间介质淀积

2.金属2的线槽刻蚀

刻蚀金属2的线槽

3.金属层间通孔刻蚀

刻蚀通孔

4.淀积阻挡层金属

淀积阻挡层金属

5.淀积铜种子层

淀积铜种子层

6.铜电镀

铜电镀

化学机械抛光

7.用CMP清除额外的铜
1.反射率的测量 2.金属膜厚的测量

薄层导体示意图

(1)方块电阻 估算导电膜厚度一种最实用的方法是测量方块电阻Rs。 (2)四探针法 在半导体工厂中,广泛使用测量方块电阻的方法是四探针法。

四探针仪示意图


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