第十三章 金属化.ppt

,半导体制造技术西安交通大学微电子技术教研室刘润民第十三章金属化,,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。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）。通过降低介电常数来减少寄生电容。,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。,,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。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。,,多层金属化,Figure12.1,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,Figure12.2,铜金属化,Photo12.1,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抗腐蚀性很好的抗腐蚀性，层与层以及下层器件区有最小的化学反应。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。,金属类型,,硅和硅片制造业中所选择的金属at20C,Table12.1,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2.65Ω-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。,,铝互连,Figure12.3,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）。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,Figure12.4,,结“穿通”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。,Figure12.5,,铝铜合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。,Figure12.6,IC互连金属化引入铜的优点,1.电阻率的减小在20℃时，互连金属线的电阻率从铝的2.65mW-cm减小到铜的1.678mW-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％to30的潜力。,,与0.25-m器件比较互连延迟的变化,Table12.2,铝和铜之间特性和工艺的比较,Table12.3,对铜的挑战,与传统的铝互连比较，用铜作为半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。,,,用于铜互连结构的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400～600nm。,Figure12.7,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。可接受的阻挡层金属的基本特征,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.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。,,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。,,钽作为铜的阻挡层金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。,Figure12.8,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500Ω-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。,,硅接触上的难溶金属硅化物,Figure12.9,,多晶硅上的多晶硅化物,Figure12.10,硅化物的一些特性,,TiSi2的退火相,Figure12.11,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。,与自对准硅化物有关的芯片性能问题,Figure12.12,自对准金属硅化物的形成,Figure12.13,金属填充塞,多层金属化产生了对数以十亿计的通孔用金属填充塞填充的需要，以便在两层金属之间形成电通路。接触填充薄膜也被用于连接硅片中硅器件和第一层金属化。目前被用于填充的最普通的金属是钨，因此填充薄膜常常被称为钨填充薄膜见下图。钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力，因此被选作传统的填充材料。钨可抗电迁徒引起的失效，因此也被用作阻挡层以禁止硅和第一层之间的扩散及反应。钨是难熔材料，熔点为3417℃，在20℃时，体电阻率是52.8Ω-cm。铝虽然电阻率比钨低，但溅射的铝不能填充具有高深宽比的通孔，基于这个原因，铝被用作互连材料，钨被限于做填充材料。,多层金属的钨填充塞,Figure12.14,IC中的金属塞,SiO2,Photo12.2,金属淀积系统物理气相淀积PVD,用于半导体制造业的传统金属化工艺归并到被称为物理气相淀积（PVD）一类。PVD开始是用灯丝蒸发实现的，接着是用电子束，最近是通过溅射。化学气相淀积已成为淀积金属薄膜最常用的技术。在SSI和MSIIC时代，蒸发是主要的金属化方法。由于蒸发台阶覆盖的特性差，所以后来被溅射取代。被用于传统和双大马士革金属化的不同金属淀积系统是蒸发溅射金属CVD铜电镀,,蒸发,在半导体制造的早期，所有金属层都是通过蒸发PVD方法淀积的。为了获得更好的台阶覆盖、间隙填充和溅射速度，在70年代后期，在大多数硅片制造技术领域溅射已取代蒸发。蒸发由待蒸发的材料放进坩锅，在真空系统中加热并使之蒸发（见下图）。最典型的加热方法是利于电子束加热放置在坩锅中的金属。在蒸发中保持高真空环境。蒸汽分子的自由程增加，并在真空腔里以直线形式运动，直到它撞击表面凝结形成薄膜。蒸发的最大缺点是不能产生台阶覆盖；性能上不能形成具有深宽比大于1.01的连续薄膜；还有对淀积合金的限制。,简单的蒸发装置,Figure12.15,溅射,溅射也是物理气相淀积形式之一，主要是一个物理过程，而非化学过程。在溅射过程中，高能粒子在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。这些被撞击出的原子穿过真空，最后淀积在硅片上。溅射的优点是1.具有淀积并保持复杂合金原组分的能力；2.能够淀积高温熔化和难熔金属；3.能够在直径为200mm或更大的硅片上控制淀积均匀薄膜；4.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原位溅射刻蚀。,,简单平行金属板直流二极管溅射系统,Figure12.16,基本溅射步骤,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；在加速过程中获得动量，并轰击靶；离子通过物理过程从靶上撞击出（溅射）原子，靶具有想要的材料组分；被撞击出（溅射）的原子迁移到硅片表面；被溅射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，与靶材料相比，薄膜具有与它基本相同的材料组分；额外材料由真空泵抽走。,溅射中的物理学,溅射的一个基本方面是氩气被离化形成等离子体。氩被用做溅射离子，是因为它相对较重并且化学上是惰性气体，这避免了和生长薄膜或靶发生化学反应。如果一个高能电子撞击中性的氩原子，碰撞电离外层电子，产生了带正电荷的氩离子。这个具有能量的粒子被用于轰击带负电的靶材料以便被溅射。带正电荷的氩离子在等离子体中被阴极靶的负电位强烈吸引。当这些带电的氩离子通过辉光放电区时，它们被加速并获得动能。当氩离子轰击靶表面时，氩离子的动能转移给靶材料以撞击出一个或多个原子。被撞出的这些原子穿过等离子体抵达硅片表面。,溅射过程中从靶的表面撞出金属原子,Figure12.17,除了被溅射的原子被轰击外，还有其它核素淀积在衬底上（见下图）。这些核素给衬底加热（使温度达到350℃），引起薄膜淀积不均匀。在铝的淀积过程中，高温也可能产生不需要的铝氧化，这反而妨碍了溅射过程。另外如果这些核素（杂质原子）掺杂进正在衬底上生长的薄膜，这将引起薄膜的质量问题。以上介绍的溅射系统是一个简单的直流二极管系统，它不能用于溅射介质，因为电极被介质覆盖，辉光放电不能够维持。同样也不能用于溅射刻蚀。下面介绍三类溅射系统RF射频磁控IMP离子化的金属等离子体,不同核素淀积在衬底上,Figure12.18,磁控溅射,磁控溅射系统是在靶的周围和后面装置了磁体以俘获并限制电子于靶的前面（见下图）。这种设置增加了离子在靶上的轰击率，产生更多的二次电子，进而增加等离子体中电离的速率。最后的结果是。更多的离子引起对靶更多的溅射，因此增加了系统的淀积速率。磁控溅射设计需要有一个能量（大约从3KW20KW），供应给氩等离子体，以便取得最大的溅射速率。由于靶吸收了这些能量中的大多数，并且靶与阴极接触，因此阴极的冷却是必须的溅射淀积大面积硅片其均匀性较差。为了取得高溅射速率和膜的均匀性，需要发展能够旋转、装置稀土和高强度永磁体的新阴极。,,磁控溅射系统,Figure12.20,准直溅射,为了在接触孔或通孔的底部和边沿取得较好的覆盖，通过利用准直溅射能够获得直接的增强（见下图）。设置的准直器好像是等离子体的阴极。用这种方法，任何从靶上被溅射出的高角度中性核素被中断，并淀积在准直器上。从靶上直线喷射的其他原子将通过准直器淀积在接触孔的底部，准直器在接触孔中减少了对侧墙的覆盖。准直器的应用意味着被溅射的材料大部分将达到不了硅片，因为被溅射材料的大部分终止在准直器上，这个结果降低了溅射的生产效率。如果台阶覆盖是一个关键因素，那么在磁控溅射的基础上用IMP或CVD淀积会更有效。,准直溅射,Figure12.21,离子化的金属等离子体PVD的概念,Figure12.22,金属CVD,由于化学气相淀积具有良好的台阶覆盖以及对高深宽比接触通孔无间隙式的填充，在金属淀积方面它的应用正在增加。当器件的特征尺寸减小到0.15m或更小时，这些因素在硅片制造业中至关重要。在0.15m的器件设计中，DRAM存储器通孔的深宽比被设计成71，逻辑电路设计成2.41。钨CVD极好的台阶覆盖和间隙填充良好的抗电迁徒特性铜CVD极好的一致性,,具有Ti/TiN阻挡层金属的垫膜钨CVD,Figure12.23,PVD多腔集成设备,,Photo12.3,PhotoCourtesyofAppliedMaterials,Inc.,铜电镀系统,Figure12.24,铜电镀,IC制造业转到铜金属化对所有芯片制造商来说都只是刚刚起步。首先，高性能处理器和快速静态存储器正在转向铜工艺。电镀铜金属的基本原理是将具有导电表面的硅片沉浸在硫酸铜溶液中，这个溶液包含所需要淀积的铜（见下图）。硅片和种子层作为带负电荷的平板或阴极电连接到外电源。固体铜块沉浸在溶液中并构成带正电荷的阳极。电流从硅片进入溶液到达铜阴极。当电流流动时，下列反应在硅片表面淀积铜金属Cu22e-Cuo,铜电镀工具,,UsedwithpermissionfromNovellusSystems,Inc.,Photo12.4,双大马士革法的铜金属化,Table12.5.1,表12.5.2双大马士革法的铜金属化,Table12.5.2,,表12.5.3双大马士革法的铜金属化,Table12.5.3,,表12.5.4双大马士革法的铜金属化,Table12.5.4,表12.5.5双大马士革法的铜金属化,,Table12.5.5,,表12.5.6双大马士革法的铜金属化,Table12.5.6,,表12.5.7双大马士革法的铜金属化,Table12.5.7,,表12.5.8双大马士革法的铜金属化,Table12.5.8,,表12.5.9双大马士革法的铜金属化,Table12.5.9,,表12.5.10双大马士革法的铜金属化,Table12.5.10,金属化质量测量,检查的质量参数溅射金属的附着；溅射薄膜的应力；溅射的膜厚；溅射薄膜的均匀性,小结,金属化淀积的金属薄膜，在芯片上形成了互连金属线和接触孔或通孔连接。有6类金属用于硅片制造业，各有不同的特点满足不同的性能要求。铝用作传统的互联金属线。欧姆接触是硅和互连金属之间的低阻接触。铝也常和铜形成合金最大程度地解决电迁徒稳定性问题，铜的含量在0.5％～4％之间新的互连金属化建立在铜冶金的基础上以减小金属电阻。铜和具有低K值的介质联合使用将减小芯片的互连延迟。,连接金属时常使用阻挡层金属，不同的阻挡层金属是否具有合适的特性取决于应用。硅化物是难熔金属和硅形成的合金，用于减小接触电阻和附着。自对准硅化物是一种特殊的硅化物，它被用于对准源、漏和栅结构。应用最广泛的系统是溅射。溅射的物理特性是轰击靶，以轰击出原子，并在硅片表面淀积这些原子形成薄膜。三类最普通的溅射类型是RF、磁控和粒子化金属等离子体。,Chapter12Review,QualityMeasures329Troubleshooting330Summary331KeyTerms331ReviewQuestions332Equipment/Suppliers’WebSites332References333,,,