第7章 金屬化

1、1第7章 金屬化 金屬化是芯片制造過(guò)程中在絕緣介質(zhì)薄膜上淀積金屬薄膜以及金屬化是芯片制造過(guò)程中在絕緣介質(zhì)薄膜上淀積金屬薄膜以及隨后刻印圖形以便形成互連金屬線和集成電路的孔填充塞的過(guò)程。隨后刻印圖形以便形成互連金屬線和集成電路的孔填充塞的過(guò)程。這一過(guò)程類似于汽車工業(yè)中用表面絕緣的銅線連通所有電組件以形這一過(guò)程類似于汽車工業(yè)中用表面絕緣的銅線連通所有電組件以形成全功能的電系統(tǒng)。金屬線被夾在兩個(gè)介質(zhì)絕緣層中間形成電整體。成全功能的電系統(tǒng)。金屬線被夾在兩個(gè)介質(zhì)絕緣層中間形成電整體。高性能的微處理器用金屬線在一個(gè)芯片上連接幾千萬(wàn)個(gè)器件。隨著高性能的微處理器用金屬線在一個(gè)芯片上連接幾千萬(wàn)個(gè)器件。隨著互連復(fù)

2、雜性的相應(yīng)增加，到互連復(fù)雜性的相應(yīng)增加，到20102010年，每個(gè)芯片上晶體管的密度預(yù)計(jì)年，每個(gè)芯片上晶體管的密度預(yù)計(jì)將達(dá)到十億個(gè)。將達(dá)到十億個(gè)。 由于需要減小信號(hào)的傳播延遲，對(duì)于未來(lái)集成電路的性能來(lái)說(shuō)由于需要減小信號(hào)的傳播延遲，對(duì)于未來(lái)集成電路的性能來(lái)說(shuō)微芯片的互連技術(shù)已經(jīng)成為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。由于超大規(guī)模集成電路組微芯片的互連技術(shù)已經(jīng)成為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。由于超大規(guī)模集成電路組件的密度增加，互連電阻和寄生電容也會(huì)隨之增加，因此降低了信件的密度增加，互連電阻和寄生電容也會(huì)隨之增加，因此降低了信號(hào)的傳播速度。號(hào)的傳播速度。 在芯片制造技術(shù)中，目前剛剛起步的明顯變化是減小金屬互連在芯片制造技術(shù)中，目前剛剛起

3、步的明顯變化是減小金屬互連的電阻率的電阻率，這種減小通過(guò)用銅取代鋁作為基本的導(dǎo)電金屬而實(shí)現(xiàn)。，這種減小通過(guò)用銅取代鋁作為基本的導(dǎo)電金屬而實(shí)現(xiàn)。對(duì)深亞微米的線寬，需要低對(duì)深亞微米的線寬，需要低k k層間介質(zhì)（層間介質(zhì)（ILDILD）。電容導(dǎo)致信號(hào)延遲，）。電容導(dǎo)致信號(hào)延遲，降低介電常數(shù)將減少寄生電容。降低介電常數(shù)將減少寄生電容。 傳統(tǒng)上認(rèn)為，在芯片上淀積金屬薄膜的過(guò)程是物理過(guò)程，另一傳統(tǒng)上認(rèn)為，在芯片上淀積金屬薄膜的過(guò)程是物理過(guò)程，另一方面淀積絕緣和半導(dǎo)體層的過(guò)程涉及方面淀積絕緣和半導(dǎo)體層的過(guò)程涉及CVDCVD化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。隨著新的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。隨著新的ICIC金屬化技術(shù)引入，這種物理和化學(xué)過(guò)程

4、的分界線變得越來(lái)越模糊。金屬化技術(shù)引入，這種物理和化學(xué)過(guò)程的分界線變得越來(lái)越模糊。27.1 引言 芯片金屬化是應(yīng)用化學(xué)或物理處理方法在芯片上淀芯片金屬化是應(yīng)用化學(xué)或物理處理方法在芯片上淀積導(dǎo)電金屬薄膜的過(guò)程。這一過(guò)程與介質(zhì)的淀積緊密相積導(dǎo)電金屬薄膜的過(guò)程。這一過(guò)程與介質(zhì)的淀積緊密相連，金屬線在連，金屬線在ICIC電路中傳導(dǎo)信號(hào)，介質(zhì)層則保證信號(hào)不電路中傳導(dǎo)信號(hào)，介質(zhì)層則保證信號(hào)不受鄰近金屬線的影響。金屬和介質(zhì)都是薄膜處理工藝，受鄰近金屬線的影響。金屬和介質(zhì)都是薄膜處理工藝，在某些情況下金屬和介質(zhì)是由同種設(shè)備淀積的。在某些情況下金屬和介質(zhì)是由同種設(shè)備淀積的。 金屬化對(duì)不同金屬連接有專門(mén)的術(shù)語(yǔ)名稱

5、。互連意金屬化對(duì)不同金屬連接有專門(mén)的術(shù)語(yǔ)名稱?；ミB意指由導(dǎo)電材料，如鋁、多晶硅或銅制成的連線將電信號(hào)指由導(dǎo)電材料，如鋁、多晶硅或銅制成的連線將電信號(hào)傳輸?shù)叫酒牟煌糠??；ミB也被用做芯片上器件和整傳輸?shù)叫酒牟煌糠帧；ミB也被用做芯片上器件和整個(gè)封裝之間普通的金屬連接。接觸是指硅芯片內(nèi)的器件個(gè)封裝之間普通的金屬連接。接觸是指硅芯片內(nèi)的器件與第一金屬層之間在硅表面的連接。通孔是穿過(guò)各種介與第一金屬層之間在硅表面的連接。通孔是穿過(guò)各種介質(zhì)層從某一金屬層到毗鄰的另一金屬層形成電通路的開(kāi)質(zhì)層從某一金屬層到毗鄰的另一金屬層形成電通路的開(kāi)口。口。“填充薄膜填充薄膜”是指用金屬薄膜填充通孔，以便在兩是指用金

6、屬薄膜填充通孔，以便在兩金屬層之間形成電連接。這些連接在下圖中闡明。金屬層之間形成電連接。這些連接在下圖中闡明。 37.1 引言47.1 引言 層間介質(zhì)（層間介質(zhì)（ILDILD）是絕緣材料，它分離了金屬之間的電連）是絕緣材料，它分離了金屬之間的電連接。接。ILDILD一旦被淀積，便被光刻成圖形、刻蝕以便為各金屬層一旦被淀積，便被光刻成圖形、刻蝕以便為各金屬層和硅之間形成通路。用金屬填充通孔，通常是鎢（和硅之間形成通路。用金屬填充通孔，通常是鎢（W W），形成），形成通孔填充薄膜。在一個(gè)芯片上有許多通孔，據(jù)估計(jì)，一個(gè)通孔填充薄膜。在一個(gè)芯片上有許多通孔，據(jù)估計(jì)，一個(gè)300mm300mm見(jiàn)方單層芯

7、片上的通孔數(shù)達(dá)到一千億個(gè)。在一層見(jiàn)方單層芯片上的通孔數(shù)達(dá)到一千億個(gè)。在一層ILDILD中制中制備通孔的工藝，在芯片上的每層中都被重復(fù)。在傳統(tǒng)的金屬化備通孔的工藝，在芯片上的每層中都被重復(fù)。在傳統(tǒng)的金屬化過(guò)程中，鋁合金金屬覆蓋層被淀積在介質(zhì)層上，然后被光刻成過(guò)程中，鋁合金金屬覆蓋層被淀積在介質(zhì)層上，然后被光刻成圖形、刻蝕形成金屬連線。對(duì)傳統(tǒng)的金屬化來(lái)說(shuō)，金屬刻蝕是圖形、刻蝕形成金屬連線。對(duì)傳統(tǒng)的金屬化來(lái)說(shuō)，金屬刻蝕是一個(gè)重要的技術(shù)。一個(gè)重要的技術(shù)。 金屬化正處在一個(gè)過(guò)渡時(shí)期，隨著銅冶金術(shù)的介入正經(jīng)金屬化正處在一個(gè)過(guò)渡時(shí)期，隨著銅冶金術(shù)的介入正經(jīng)歷著快速變化以取代鋁合金。這種變化源于刻蝕銅很困難，

8、為歷著快速變化以取代鋁合金。這種變化源于刻蝕銅很困難，為了克服這個(gè)問(wèn)題，銅冶金術(shù)應(yīng)用雙大馬士革法處理，以形成通了克服這個(gè)問(wèn)題，銅冶金術(shù)應(yīng)用雙大馬士革法處理，以形成通孔和銅互連。這種金屬化過(guò)程字面上與傳統(tǒng)的金屬化過(guò)程相反孔和銅互連。這種金屬化過(guò)程字面上與傳統(tǒng)的金屬化過(guò)程相反（見(jiàn)下圖）。首先大馬士革方法淀積介質(zhì)覆蓋層、平整化介質(zhì)、（見(jiàn)下圖）。首先大馬士革方法淀積介質(zhì)覆蓋層、平整化介質(zhì)、光刻成圖形、在介質(zhì)層為通孔和連接金屬線刻蝕孔或者溝，然光刻成圖形、在介質(zhì)層為通孔和連接金屬線刻蝕孔或者溝，然后淀積金屬覆蓋層進(jìn)入溝中，平坦化、研磨金屬層直到介質(zhì)層后淀積金屬覆蓋層進(jìn)入溝中，平坦化、研磨金屬層直到介質(zhì)層

9、表面以確定金屬互連。表面以確定金屬互連。57.1 引言67.1 引言 金屬化技術(shù)對(duì)于提高高級(jí)金屬化技術(shù)對(duì)于提高高級(jí)ICIC的性能很關(guān)鍵。對(duì)于舊的性能很關(guān)鍵。對(duì)于舊ICIC技術(shù)技術(shù)而言，由互連線引起的信號(hào)延遲使得芯片的性能降低不是關(guān)注而言，由互連線引起的信號(hào)延遲使得芯片的性能降低不是關(guān)注的焦點(diǎn)。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)器件中，主要信號(hào)延遲是由器件引起的。的焦點(diǎn)。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)器件中，主要信號(hào)延遲是由器件引起的。然而，對(duì)新一代然而，對(duì)新一代ULSIULSI產(chǎn)品制造業(yè)而言情況就不同了，金屬布線產(chǎn)品制造業(yè)而言情況就不同了，金屬布線越密，互連線引起的信號(hào)延遲占去時(shí)鐘周期的部分就越大，對(duì)越密，互連線引起的信號(hào)延遲占去時(shí)鐘周

10、期的部分就越大，對(duì)ICIC性能的制約影響也越大。性能的制約影響也越大。銅金屬化銅金屬化71 1互連金屬化材料的要求互連金屬化材料的要求作為一種比較理想的金屬化互連材料，應(yīng)具有以下作為一種比較理想的金屬化互連材料，應(yīng)具有以下5 5個(gè)特點(diǎn)。個(gè)特點(diǎn)。(a)(a)導(dǎo)電性能好。引起的損耗小。導(dǎo)電性能好。引起的損耗小。(b)(b)與半導(dǎo)體之間有良好的接觸特性。與半導(dǎo)體之間有良好的接觸特性。(c)(c)性能穩(wěn)定。要求金屬化工藝完成后，金屬化材料不和硅發(fā)生性能穩(wěn)定。要求金屬化工藝完成后，金屬化材料不和硅發(fā)生反應(yīng)，金屬化的特性不受外界環(huán)境條件的影響，工作過(guò)程中反應(yīng)，金屬化的特性不受外界環(huán)境條件的影響，工作過(guò)程中

11、金屬化層的完整性不會(huì)發(fā)生變化。金屬化層的完整性不會(huì)發(fā)生變化。(d)(d)臺(tái)階覆蓋性能好。由于生產(chǎn)中多次進(jìn)行氧化和光刻，使管芯臺(tái)階覆蓋性能好。由于生產(chǎn)中多次進(jìn)行氧化和光刻，使管芯表面不是完全平整的表面。特別是在接觸窗口處，氧化層出表面不是完全平整的表面。特別是在接觸窗口處，氧化層出現(xiàn)較大的臺(tái)階。金屬化層應(yīng)該能蓋住管芯表面的所有臺(tái)階，現(xiàn)較大的臺(tái)階。金屬化層應(yīng)該能蓋住管芯表面的所有臺(tái)階，防止臺(tái)階處金屬化層變薄甚至出現(xiàn)斷條情況。防止臺(tái)階處金屬化層變薄甚至出現(xiàn)斷條情況。(e)(e)工藝相容。要求淀積金屬時(shí)不應(yīng)改變已有器件的特性，能用工藝相容。要求淀積金屬時(shí)不應(yīng)改變已有器件的特性，能用普通的光刻方法形成需

12、要的金屬化圖形。普通的光刻方法形成需要的金屬化圖形。 7.2 金屬類型82 2常用的金屬化材料常用的金屬化材料 (1)(1)鋁鋁 與硅以及二氧化硅相同，鋁是用于硅片制造中最主要的材料之一。與硅以及二氧化硅相同，鋁是用于硅片制造中最主要的材料之一。在制造硅片時(shí)，鋁以薄膜的形式在硅片中連接不同器件。同時(shí)，鋁是淀在制造硅片時(shí)，鋁以薄膜的形式在硅片中連接不同器件。同時(shí)，鋁是淀積在硅片上的最厚的薄膜之一，第一層金屬厚約積在硅片上的最厚的薄膜之一，第一層金屬厚約50005000 。在硅片上，上。在硅片上，上層非關(guān)鍵層（例如，具有焊接區(qū)的金屬層）其厚度能達(dá)到層非關(guān)鍵層（例如，具有焊接區(qū)的金屬層）其厚度能達(dá)到

13、2000020000 。 鋁在鋁在2020時(shí)具有時(shí)具有2.65u-cm2.65u-cm的低電阻率，但比銅、金、銀的電阻鋁的低電阻率，但比銅、金、銀的電阻鋁稍高。然而銅和銀都比較容易腐蝕，而且在氧化膜上附著不好。金在硅稍高。然而銅和銀都比較容易腐蝕，而且在氧化膜上附著不好。金在硅片制造的初期有時(shí)被應(yīng)用，但由于與硅的高接觸電阻使得它需要有一層片制造的初期有時(shí)被應(yīng)用，但由于與硅的高接觸電阻使得它需要有一層鉑作為過(guò)渡層。另一方面，鋁能夠很容易和氧化硅反應(yīng)，加熱形成氧化鉑作為過(guò)渡層。另一方面，鋁能夠很容易和氧化硅反應(yīng)，加熱形成氧化鋁（鋁（AlAl3 3O O3 3），這促進(jìn)了氧化硅和鋁之間的附著。鋁能夠

14、輕易淀積在硅片），這促進(jìn)了氧化硅和鋁之間的附著。鋁能夠輕易淀積在硅片上，可用濕法刻蝕而不影響下層薄膜?；谶@些原因，鋁作為首選的金上，可用濕法刻蝕而不影響下層薄膜?；谶@些原因，鋁作為首選的金屬應(yīng)用與金屬化。屬應(yīng)用與金屬化。 綜上所述，在硅綜上所述，在硅ICIC制造業(yè)中，鋁和它的主要過(guò)程是兼容的，并且成制造業(yè)中，鋁和它的主要過(guò)程是兼容的，并且成本相對(duì)低廉，從本相對(duì)低廉，從ICIC制造的早期開(kāi)始就選擇它作為金屬化的材料。然而，制造的早期開(kāi)始就選擇它作為金屬化的材料。然而，由于硅片上電路集成度的增加，金屬布線層數(shù)的增加，線寬劃分得越來(lái)由于硅片上電路集成度的增加，金屬布線層數(shù)的增加，線寬劃分得越來(lái)越

15、細(xì)，金屬化工藝已經(jīng)從簡(jiǎn)單的單層發(fā)展到多層金屬布線。由于銅具有越細(xì)，金屬化工藝已經(jīng)從簡(jiǎn)單的單層發(fā)展到多層金屬布線。由于銅具有更低的電阻率，因此它有望取代鋁成為主要的互連金屬材料。更低的電阻率，因此它有望取代鋁成為主要的互連金屬材料。7.2 金屬類型9 但用鋁作為金屬化材料存在下述問(wèn)題。但用鋁作為金屬化材料存在下述問(wèn)題。 (a)(a)電遷移現(xiàn)象：金屬化鋁是一種多晶結(jié)構(gòu)，有電流通過(guò)電遷移現(xiàn)象：金屬化鋁是一種多晶結(jié)構(gòu)，有電流通過(guò)時(shí)，鋁原子受到運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電電子作用，沿晶粒邊界向高電位時(shí)，鋁原子受到運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電電子作用，沿晶粒邊界向高電位端遷移，結(jié)果金屬化層高電位處出現(xiàn)金屬原子堆積，形成小端遷移，結(jié)果金屬化層

16、高電位處出現(xiàn)金屬原子堆積，形成小丘、晶須，導(dǎo)致相鄰金屬走線間短路。低電位處出現(xiàn)金屬原丘、晶須，導(dǎo)致相鄰金屬走線間短路。低電位處出現(xiàn)金屬原子的短缺而形成空洞導(dǎo)致開(kāi)路。子的短缺而形成空洞導(dǎo)致開(kāi)路。 (b)(b)鋁硅互溶問(wèn)題：硅在鋁中有一定的固溶度，隨著接觸鋁硅互溶問(wèn)題：硅在鋁中有一定的固溶度，隨著接觸孔處硅向鋁中溶解，在硅中形成深腐蝕抗。鋁也向硅內(nèi)部滲孔處硅向鋁中溶解，在硅中形成深腐蝕抗。鋁也向硅內(nèi)部滲透，某些位置滲透較深。當(dāng)滲入硅中的鋁到達(dá)結(jié)面時(shí)引起透，某些位置滲透較深。當(dāng)滲入硅中的鋁到達(dá)結(jié)面時(shí)引起PNPN結(jié)漏電增加甚至短路。對(duì)淺結(jié)漏電增加甚至短路。對(duì)淺PNPN結(jié)，此問(wèn)題比較嚴(yán)重。結(jié)，此問(wèn)題比較

17、嚴(yán)重。 因此在大規(guī)模集成電路中要采用其他金屬化材料。因此在大規(guī)模集成電路中要采用其他金屬化材料。7.2 金屬類型10(2)(2)鋁鋁- -硅合金硅合金 采用含少量硅的鋁合金作為金屬化材料。由于合金中硅的含采用含少量硅的鋁合金作為金屬化材料。由于合金中硅的含量已接近或超過(guò)硅在鋁中的固溶度，因此采用此種金屬化材料后，量已接近或超過(guò)硅在鋁中的固溶度，因此采用此種金屬化材料后，接觸孔處基本不出現(xiàn)硅和金屬化材料間的互溶問(wèn)題。通常結(jié)深小接觸孔處基本不出現(xiàn)硅和金屬化材料間的互溶問(wèn)題。通常結(jié)深小于于1um1um的器件就應(yīng)采用的器件就應(yīng)采用9898Al2Al2SiSi的合金材料。的合金材料。(3)(3)鋁鋁銅合

18、金銅合金 鋁中摻入銅后，銅原子在多晶狀鋁的晶粒邊界處分凝，阻止鋁中摻入銅后，銅原子在多晶狀鋁的晶粒邊界處分凝，阻止鋁原子沿晶粒邊界的運(yùn)動(dòng)，對(duì)鋁的電遷移有較大的抑制作用。生鋁原子沿晶粒邊界的運(yùn)動(dòng)，對(duì)鋁的電遷移有較大的抑制作用。生產(chǎn)中采用產(chǎn)中采用9696A14A14CuCu可使產(chǎn)生電遷移的臨界電流值擴(kuò)大十倍?？墒巩a(chǎn)生電遷移的臨界電流值擴(kuò)大十倍。(4)(4)重?fù)诫s多晶硅重?fù)诫s多晶硅 2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代初，在年代初，在MOSMOS集成電路中，開(kāi)始用重?fù)诫s多晶硅集成電路中，開(kāi)始用重?fù)诫s多晶硅薄膜代替金屬鋁作為薄膜代替金屬鋁作為MOSMOS器件的柵極材料并同時(shí)形成互連，與鋁金器件的柵極材料并同時(shí)

19、形成互連，與鋁金屬層一起形成一種屬層一起形成一種“雙層雙層”布線結(jié)構(gòu)，給大規(guī)模布線結(jié)構(gòu)，給大規(guī)模MOSMOS集成電路的設(shè)集成電路的設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性并有利于電路特性的提高。多晶硅生長(zhǎng)計(jì)提供了更大的靈活性并有利于電路特性的提高。多晶硅生長(zhǎng)主要采用低壓化學(xué)汽相淀積的方法。主要采用低壓化學(xué)汽相淀積的方法。7.2 金屬類型11 (5)(5)難熔金屬硅化物難熔金屬硅化物 由于多晶硅電阻率較高，當(dāng)由于多晶硅電阻率較高，當(dāng)ICIC中線條細(xì)至中線條細(xì)至1um1um以下時(shí)，多晶硅互連以下時(shí)，多晶硅互連線已成為限制線已成為限制ICIC速度提高的主要障礙，為此出現(xiàn)了難熔金屬硅化物多晶速度提高的主要障礙，為此出現(xiàn)

20、了難熔金屬硅化物多晶硅復(fù)合柵和互連技術(shù)。目前在硅復(fù)合柵和互連技術(shù)。目前在VLSIVLSI中采用的有難熔金屬中采用的有難熔金屬TiTi、MoMo、W W、TaTa及其硅化物。由于硅化物在形成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在薄柵氧化及其硅化物。由于硅化物在形成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在薄柵氧化層及其硅襯底中引入缺陷，使層及其硅襯底中引入缺陷，使MOSMOS器件的電學(xué)特性和穩(wěn)定性變壞。因此目器件的電學(xué)特性和穩(wěn)定性變壞。因此目前多采用前多采用“硅化物多晶硅硅化物多晶硅”復(fù)合柵和互連結(jié)構(gòu)，這時(shí)可直接在多晶磚上復(fù)合柵和互連結(jié)構(gòu)，這時(shí)可直接在多晶磚上采用蒸發(fā)、濺射或化學(xué)汽相淀積的方法淀積難熔金屬，加熱形成硅化物。

21、采用蒸發(fā)、濺射或化學(xué)汽相淀積的方法淀積難熔金屬，加熱形成硅化物。工藝與現(xiàn)有硅柵工藝相容，已被廣泛用于工藝與現(xiàn)有硅柵工藝相容，已被廣泛用于VLSIVLSI中。中。 (6)(6)銅銅 隨著隨著VLSIVLSI集成度的增加，線條尺寸進(jìn)一步減小，布線延遲將更加嚴(yán)集成度的增加，線條尺寸進(jìn)一步減小，布線延遲將更加嚴(yán)重。除需要采用低介電常數(shù)的介質(zhì)作為層間絕緣層外，另一項(xiàng)重要技術(shù)重。除需要采用低介電常數(shù)的介質(zhì)作為層間絕緣層外，另一項(xiàng)重要技術(shù)是采用電阻率更低的銅替代傳統(tǒng)的鋁作為布線材料，以減小互連線上的是采用電阻率更低的銅替代傳統(tǒng)的鋁作為布線材料，以減小互連線上的電阻。此外，在抗電遷移特性方面，銅也明顯優(yōu)于鋁。

22、以前由于很難解電阻。此外，在抗電遷移特性方面，銅也明顯優(yōu)于鋁。以前由于很難解決銅的刻蝕問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)中一直未得到廣泛使用。目前采用化學(xué)機(jī)決銅的刻蝕問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)中一直未得到廣泛使用。目前采用化學(xué)機(jī)械拋光械拋光 (CMP)(CMP)技術(shù)和所謂的技術(shù)和所謂的“大馬士革鑲嵌技術(shù)大馬士革鑲嵌技術(shù)”，成功地回避了刻蝕，成功地回避了刻蝕問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了銅金屬化布線。對(duì)特征尺寸小于問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了銅金屬化布線。對(duì)特征尺寸小于0.25um0.25um的工藝，銅布線是的工藝，銅布線是必須采用的技術(shù)。必須采用的技術(shù)。7.2 金屬類型12 用于半導(dǎo)體制造業(yè)的傳統(tǒng)金屬化工藝歸并到被稱為物理氣相淀積用于半導(dǎo)體制造業(yè)的傳統(tǒng)金

23、屬化工藝歸并到被稱為物理氣相淀積（PVDPVD）一類。）一類。PVDPVD開(kāi)始是用燈絲蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)的，接著是用電子束，最近開(kāi)始是用燈絲蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)的，接著是用電子束，最近是通過(guò)濺射?；瘜W(xué)氣相淀積已經(jīng)成為淀積金屬薄膜最常使用的技術(shù)。是通過(guò)濺射?；瘜W(xué)氣相淀積已經(jīng)成為淀積金屬薄膜最常使用的技術(shù)。每次淀積系統(tǒng)的變化都在薄膜特性和質(zhì)量的控制上取得了改進(jìn)。每次淀積系統(tǒng)的變化都在薄膜特性和質(zhì)量的控制上取得了改進(jìn)。 在小規(guī)模（在小規(guī)模（SSISSI）和中等規(guī)模（）和中等規(guī)模（MSIMSI）半導(dǎo)體集成電路制造時(shí)代，）半導(dǎo)體集成電路制造時(shí)代，蒸發(fā)是金屬化方法。由于蒸發(fā)臺(tái)階覆蓋的特性差，因此它首先被濺射蒸發(fā)是金屬化方法。由

24、于蒸發(fā)臺(tái)階覆蓋的特性差，因此它首先被濺射取代。在研究領(lǐng)域和取代。在研究領(lǐng)域和III-VIII-V半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用中，蒸發(fā)仍然被使用。它也半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用中，蒸發(fā)仍然被使用。它也被用于一些特殊領(lǐng)域，如封裝期間被用于一些特殊領(lǐng)域，如封裝期間C4C4凸點(diǎn)淀積。凸點(diǎn)淀積。 電鍍技術(shù)已被用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。最近幾年在磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域已被電鍍技術(shù)已被用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。最近幾年在磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域已被用于薄膜磁頭金屬化。然而作為半導(dǎo)體制造業(yè)中銅的淀積方法，電鍍用于薄膜磁頭金屬化。然而作為半導(dǎo)體制造業(yè)中銅的淀積方法，電鍍只是剛剛起步。被用于傳統(tǒng)和雙大馬士革金屬化的不同金屬淀積系統(tǒng)只是剛剛起步。被用于傳統(tǒng)和雙大馬士革金屬化的不

25、同金屬淀積系統(tǒng)是：是：n蒸發(fā)蒸發(fā)n濺射濺射n金屬金屬CVDCVDn銅電鍍銅電鍍7.3 金屬淀積系統(tǒng)13 在半導(dǎo)體制造的早期，所有金屬層都是通過(guò)蒸發(fā)在半導(dǎo)體制造的早期，所有金屬層都是通過(guò)蒸發(fā)PVDPVD方法淀積的。為方法淀積的。為了獲得更好的臺(tái)階覆蓋、間隙填充和濺射速率，從了獲得更好的臺(tái)階覆蓋、間隙填充和濺射速率，從2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代的后期開(kāi)年代的后期開(kāi)始，在大多數(shù)硅片制造技術(shù)領(lǐng)域?yàn)R射已經(jīng)取代蒸發(fā)。然而回顧蒸發(fā)以理解始，在大多數(shù)硅片制造技術(shù)領(lǐng)域?yàn)R射已經(jīng)取代蒸發(fā)。然而回顧蒸發(fā)以理解它的運(yùn)行機(jī)制和硅工業(yè)轉(zhuǎn)到濺射的原因是很有益的。它的運(yùn)行機(jī)制和硅工業(yè)轉(zhuǎn)到濺射的原因是很有益的。 蒸發(fā)由將待蒸發(fā)

26、的材料放置進(jìn)坩鍋、在真空系統(tǒng)中加熱并使之蒸發(fā)這蒸發(fā)由將待蒸發(fā)的材料放置進(jìn)坩鍋、在真空系統(tǒng)中加熱并使之蒸發(fā)這些過(guò)程組成（見(jiàn)下圖）。最典型的加熱方法是利用電子束加熱放置在坩鍋些過(guò)程組成（見(jiàn)下圖）。最典型的加熱方法是利用電子束加熱放置在坩鍋中的金屬。在蒸發(fā)器中通過(guò)保持高真空環(huán)境，蒸氣分子的平均自由程增加，中的金屬。在蒸發(fā)器中通過(guò)保持高真空環(huán)境，蒸氣分子的平均自由程增加，并且在真空腔里以直線形式運(yùn)動(dòng)，直到它撞到表面凝結(jié)形成薄膜。并且在真空腔里以直線形式運(yùn)動(dòng)，直到它撞到表面凝結(jié)形成薄膜。7.3.1 蒸發(fā)14 蒸發(fā)的最大缺點(diǎn)是不能產(chǎn)生均勻的臺(tái)階覆蓋。當(dāng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步到超蒸發(fā)的最大缺點(diǎn)是不能產(chǎn)生均勻的臺(tái)階覆蓋。當(dāng)

27、產(chǎn)業(yè)進(jìn)步到超大規(guī)模和甚大規(guī)模集成電路技術(shù)時(shí)，金屬化需要能夠填充具有高深大規(guī)模和甚大規(guī)模集成電路技術(shù)時(shí)，金屬化需要能夠填充具有高深寬比的孔，并且產(chǎn)生等角的臺(tái)階覆蓋。通過(guò)加熱硅片以及在具有半寬比的孔，并且產(chǎn)生等角的臺(tái)階覆蓋。通過(guò)加熱硅片以及在具有半球形籠子的腔體里旋轉(zhuǎn)硅片，在臺(tái)階覆蓋方面取得了一些進(jìn)步。然球形籠子的腔體里旋轉(zhuǎn)硅片，在臺(tái)階覆蓋方面取得了一些進(jìn)步。然而蒸發(fā)技術(shù)在性能上不能形成具有深寬比大于而蒸發(fā)技術(shù)在性能上不能形成具有深寬比大于1.01.0：1 1的連續(xù)薄膜，的連續(xù)薄膜，并且邊緣部分的深寬比處于并且邊緣部分的深寬比處于0.50.5：1 1到到1.01.0：1 1之間。蒸發(fā)的這一缺點(diǎn)之間

28、。蒸發(fā)的這一缺點(diǎn)導(dǎo)致了它在導(dǎo)致了它在ICIC生產(chǎn)中被淘汰。生產(chǎn)中被淘汰。 蒸發(fā)的另一嚴(yán)重缺點(diǎn)是對(duì)淀積合金的限制。為了淀積由多材料蒸發(fā)的另一嚴(yán)重缺點(diǎn)是對(duì)淀積合金的限制。為了淀積由多材料組成的合金，蒸發(fā)器需要有多個(gè)坩鍋，這是個(gè)因?yàn)椴煌牧系恼魵饨M成的合金，蒸發(fā)器需要有多個(gè)坩鍋，這是個(gè)因?yàn)椴煌牧系恼魵鈮翰煌a(chǎn)生的問(wèn)題。這個(gè)限制使得控制被淀積合金最后組分具有壓不同而產(chǎn)生的問(wèn)題。這個(gè)限制使得控制被淀積合金最后組分具有任意精度變得很困難。任意精度變得很困難。 最后，由于濺射系統(tǒng)改進(jìn)了臺(tái)階覆蓋能力，在硅片制造業(yè)中它最后，由于濺射系統(tǒng)改進(jìn)了臺(tái)階覆蓋能力，在硅片制造業(yè)中它迅速地取代了蒸發(fā)器。蒸發(fā)器仍然應(yīng)用于

29、研究領(lǐng)域和一些化合物半迅速地取代了蒸發(fā)器。蒸發(fā)器仍然應(yīng)用于研究領(lǐng)域和一些化合物半導(dǎo)體技術(shù)，實(shí)際上是將蒸發(fā)器差的臺(tái)階覆蓋特性在特殊化處理過(guò)程導(dǎo)體技術(shù)，實(shí)際上是將蒸發(fā)器差的臺(tái)階覆蓋特性在特殊化處理過(guò)程中當(dāng)做優(yōu)點(diǎn)使用。除此，為了在芯片表面淀積焊料凸點(diǎn)，蒸發(fā)有時(shí)中當(dāng)做優(yōu)點(diǎn)使用。除此，為了在芯片表面淀積焊料凸點(diǎn)，蒸發(fā)有時(shí)仍然被應(yīng)用于芯片封裝過(guò)程。仍然被應(yīng)用于芯片封裝過(guò)程。7.3.1 蒸發(fā)15 濺射是物理氣相淀積形式之一，于濺射是物理氣相淀積形式之一，于18521852年由年由William Robert William Robert GroveGrove發(fā)現(xiàn)，并由發(fā)現(xiàn)，并由LangmuirLangmui

30、r在上世紀(jì)在上世紀(jì)2020年代開(kāi)發(fā)成為薄膜淀積技年代開(kāi)發(fā)成為薄膜淀積技術(shù)。就像它的名字所暗示的一樣，濺射主要是一個(gè)物理過(guò)程，而術(shù)。就像它的名字所暗示的一樣，濺射主要是一個(gè)物理過(guò)程，而非化學(xué)過(guò)程。在濺射過(guò)程中，高能粒子撞擊具有高純度的靶材料非化學(xué)過(guò)程。在濺射過(guò)程中，高能粒子撞擊具有高純度的靶材料固體平板，按物理過(guò)程撞擊出原子。這些被撞擊出的原子穿過(guò)真固體平板，按物理過(guò)程撞擊出原子。這些被撞擊出的原子穿過(guò)真空，最后淀積在硅片上?？眨詈蟮矸e在硅片上。 濺射的優(yōu)點(diǎn)是：濺射的優(yōu)點(diǎn)是：1.1.具有淀積并保持復(fù)雜合金原組分的能力。具有淀積并保持復(fù)雜合金原組分的能力。2.2.能夠淀積高溫熔化和難熔金屬。能夠

31、淀積高溫熔化和難熔金屬。3.3.能夠在直徑為能夠在直徑為200200毫米或更大的硅片上控制淀積均勻薄膜。毫米或更大的硅片上控制淀積均勻薄膜。4.4.具有多腔集成設(shè)備，能夠在淀積金屬前清除硅片表面沾污具有多腔集成設(shè)備，能夠在淀積金屬前清除硅片表面沾污和本身的氧化層（被稱為原位濺射刻蝕）。和本身的氧化層（被稱為原位濺射刻蝕）。7.3.2 濺射16 對(duì)于更早的金屬化方法蒸發(fā)而言，濺射在間隙填充方面是一對(duì)于更早的金屬化方法蒸發(fā)而言，濺射在間隙填充方面是一個(gè)大的改進(jìn)。蒸發(fā)相對(duì)有限的臺(tái)階覆蓋和填充高深寬比通孔的能力，個(gè)大的改進(jìn)。蒸發(fā)相對(duì)有限的臺(tái)階覆蓋和填充高深寬比通孔的能力，使它不能夠應(yīng)用于超大規(guī)模集成電

32、路。通過(guò)濺射以獲得良好臺(tái)階覆使它不能夠應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路。通過(guò)濺射以獲得良好臺(tái)階覆蓋、包括最近用離子化金屬等離子體的方法在近幾年取得了發(fā)展。蓋、包括最近用離子化金屬等離子體的方法在近幾年取得了發(fā)展。對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用，如鎢填充塞的臺(tái)階覆蓋，淀積過(guò)程通常由對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用，如鎢填充塞的臺(tái)階覆蓋，淀積過(guò)程通常由CVDCVD金屬金屬過(guò)程來(lái)完成。濺射不斷的用于淀積關(guān)鍵的阻擋層和種子層，如用于過(guò)程來(lái)完成。濺射不斷的用于淀積關(guān)鍵的阻擋層和種子層，如用于銅金屬化的鉭和氮化鉭。銅金屬化的鉭和氮化鉭。n基本濺射步驟：基本濺射步驟：濺射有濺射有6 6個(gè)基本步驟：個(gè)基本步驟：1.1.在高真空腔等離子體中產(chǎn)生正氬離子，并向

33、具有負(fù)電勢(shì)的靶材料在高真空腔等離子體中產(chǎn)生正氬離子，并向具有負(fù)電勢(shì)的靶材料加速。加速。2.2.在加速過(guò)程中離子獲得動(dòng)量，并轟擊靶。在加速過(guò)程中離子獲得動(dòng)量，并轟擊靶。3.3.離子通過(guò)物理過(guò)程從靶上撞擊出（濺射）原子，靶具有想要的材離子通過(guò)物理過(guò)程從靶上撞擊出（濺射）原子，靶具有想要的材料組分。料組分。4.4.被撞擊出（濺射）的原子遷移到硅片表面。被撞擊出（濺射）的原子遷移到硅片表面。5.5.被濺射的原子在硅片表面凝聚并形成薄膜，與靶材料比較，薄膜被濺射的原子在硅片表面凝聚并形成薄膜，與靶材料比較，薄膜具有與它基本相同的材料組分，接下來(lái)是薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程。具有與它基本相同的材料組分，接下來(lái)是薄膜生

34、長(zhǎng)的過(guò)程。6.6.額外材料由真空泵抽走。額外材料由真空泵抽走。7.3.2 濺射17 為了闡述濺射過(guò)程，下圖畫(huà)出了具有平行金屬板的簡(jiǎn)單直流二極管為了闡述濺射過(guò)程，下圖畫(huà)出了具有平行金屬板的簡(jiǎn)單直流二極管濺射淀積腔體的基本構(gòu)造。它由固體靶材料、襯底（硅片）和真空環(huán)濺射淀積腔體的基本構(gòu)造。它由固體靶材料、襯底（硅片）和真空環(huán)境組成。靶接地被稱為陰極，襯底具有正電勢(shì)，被稱為陽(yáng)極，陽(yáng)極和境組成。靶接地被稱為陰極，襯底具有正電勢(shì)，被稱為陽(yáng)極，陽(yáng)極和陰極都叫電極。濺射靶由需要濺射的材料組成。制造靶的要求是均勻陰極都叫電極。濺射靶由需要濺射的材料組成。制造靶的要求是均勻的組分、合適的顆粒尺寸和具體的結(jié)晶學(xué)取向

35、，所有這一切都是為了的組分、合適的顆粒尺寸和具體的結(jié)晶學(xué)取向，所有這一切都是為了在整個(gè)硅片上獲得均勻的薄膜淀積速率。為了獲得可接受的薄膜純度在整個(gè)硅片上獲得均勻的薄膜淀積速率。為了獲得可接受的薄膜純度應(yīng)用于亞應(yīng)用于亞0.25um0.25um的幾何尺寸，靶的純度要求達(dá)到的幾何尺寸，靶的純度要求達(dá)到99.99999.999或者更高?；蛘吒?。7.3.2 濺射18 從氬氣輝光放電產(chǎn)生的高密度陽(yáng)離子被強(qiáng)烈吸引到從氬氣輝光放電產(chǎn)生的高密度陽(yáng)離子被強(qiáng)烈吸引到負(fù)電極靶板，以高速率轟擊靶板，撞擊出原子以便淀積。負(fù)電極靶板，以高速率轟擊靶板，撞擊出原子以便淀積。從靶材料被濺射的原子在腔體中散開(kāi)，最后一些停留在從

36、靶材料被濺射的原子在腔體中散開(kāi)，最后一些停留在硅片和腔體壁上。使得一些系統(tǒng)中清理腔體成為必要。硅片和腔體壁上。使得一些系統(tǒng)中清理腔體成為必要。原子在硅片上成核并生長(zhǎng)為薄膜。濺射應(yīng)用的一個(gè)重要原子在硅片上成核并生長(zhǎng)為薄膜。濺射應(yīng)用的一個(gè)重要方面是濺射淀積合金，特別是鋁硅和鋁銅合金。例如，方面是濺射淀積合金，特別是鋁硅和鋁銅合金。例如，如果靶材料是鋁含有如果靶材料是鋁含有1 1的銅，那么淀積的薄膜也是鋁含的銅，那么淀積的薄膜也是鋁含有有1 1的銅（在穩(wěn)態(tài)條件下）。的銅（在穩(wěn)態(tài)條件下）。 為產(chǎn)生等離子體并保持被淀積薄膜的純度，濺射腔為產(chǎn)生等離子體并保持被淀積薄膜的純度，濺射腔體內(nèi)的真空條件很重要，通

37、常其初始真空度的要求是體內(nèi)的真空條件很重要，通常其初始真空度的要求是1010-7-7托。氬氣進(jìn)入工藝腔的速率很關(guān)鍵，因?yàn)樗鹎惑w中托。氬氣進(jìn)入工藝腔的速率很關(guān)鍵，因?yàn)樗鹎惑w中壓力的上升。腔體中有氬氣和被濺射的材料，壓力上升壓力的上升。腔體中有氬氣和被濺射的材料，壓力上升到約到約1010-3-3托。工藝腔中熱的高真空環(huán)境促使被濺射原子進(jìn)托。工藝腔中熱的高真空環(huán)境促使被濺射原子進(jìn)入硅片表面上的薄膜。入硅片表面上的薄膜。7.3.2 濺射19n 濺射中的物理學(xué)濺射中的物理學(xué) 濺射的一個(gè)基本方面是氬氣被離化形成等離子體。氬被用濺射的一個(gè)基本方面是氬氣被離化形成等離子體。氬被用做濺射離子，是因?yàn)樗?/p>

38、對(duì)較重并且化學(xué)上是惰性氣體，這避免做濺射離子，是因?yàn)樗鄬?duì)較重并且化學(xué)上是惰性氣體，這避免了它和生長(zhǎng)的薄膜或靶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果一個(gè)高能電子撞擊中了它和生長(zhǎng)的薄膜或靶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果一個(gè)高能電子撞擊中性的氬原子，碰撞電離外層電子，產(chǎn)生了帶正電荷的氬離子。這性的氬原子，碰撞電離外層電子，產(chǎn)生了帶正電荷的氬離子。這個(gè)具有能量的粒子被用于轟擊帶負(fù)電的靶材料以便被濺射。個(gè)具有能量的粒子被用于轟擊帶負(fù)電的靶材料以便被濺射。濺射的機(jī)制濺射的機(jī)制帶正電荷的氬離子在等離子體中被陰極靶的負(fù)電位強(qiáng)烈吸引。帶正電荷的氬離子在等離子體中被陰極靶的負(fù)電位強(qiáng)烈吸引。當(dāng)這些帶電的氬離子通過(guò)輝光放電暗區(qū)的電壓降時(shí)，它們加速

39、并當(dāng)這些帶電的氬離子通過(guò)輝光放電暗區(qū)的電壓降時(shí)，它們加速并且獲得動(dòng)能（運(yùn)動(dòng)的能量）。當(dāng)氬離子轟擊靶表面時(shí)，氬離子的且獲得動(dòng)能（運(yùn)動(dòng)的能量）。當(dāng)氬離子轟擊靶表面時(shí)，氬離子的動(dòng)量轉(zhuǎn)移給靶材料以撞擊出一個(gè)或多個(gè)原子。這一作用被稱為動(dòng)動(dòng)量轉(zhuǎn)移給靶材料以撞擊出一個(gè)或多個(gè)原子。這一作用被稱為動(dòng)量轉(zhuǎn)移。被撞出的單個(gè)或多個(gè)原子運(yùn)動(dòng)穿過(guò)等離子體（有很小的量轉(zhuǎn)移。被撞出的單個(gè)或多個(gè)原子運(yùn)動(dòng)穿過(guò)等離子體（有很小的機(jī)率被電離）到達(dá)硅片表面。入射離子的能量必須大到能夠撞擊機(jī)率被電離）到達(dá)硅片表面。入射離子的能量必須大到能夠撞擊出靶原子，但又不太大以致滲透進(jìn)入靶材料的內(nèi)部。典型濺射離出靶原子，但又不太大以致滲透進(jìn)入靶材料

40、的內(nèi)部。典型濺射離子的能量范圍為子的能量范圍為500500到到5000eV5000eV。7.3.2 濺射20 濺射過(guò)程中從靶材料的表面撞擊出金屬原子的過(guò)程類似于濺射過(guò)程中從靶材料的表面撞擊出金屬原子的過(guò)程類似于撞球游戲中正在撞擊的彈子球。即使撞球中的母球是朝一個(gè)方撞球游戲中正在撞擊的彈子球。即使撞球中的母球是朝一個(gè)方向前進(jìn)的，彈子球也可能朝其他方向被撞出。同樣的情況發(fā)生向前進(jìn)的，彈子球也可能朝其他方向被撞出。同樣的情況發(fā)生在濺射過(guò)程中，只不過(guò)這里是氬離子轟擊靶，并且從靶的表面在濺射過(guò)程中，只不過(guò)這里是氬離子轟擊靶，并且從靶的表面撞出一個(gè)或多個(gè)原子（見(jiàn)下圖）。撞出一個(gè)或多個(gè)原子（見(jiàn)下圖）。7.3

41、.2 濺射21 濺射產(chǎn)額定義為每個(gè)入射離子轟擊靶（陰極）以后，由靶濺射產(chǎn)額定義為每個(gè)入射離子轟擊靶（陰極）以后，由靶噴射出的原子數(shù)。產(chǎn)額很大程度決定了濺射淀積的速率。濺射噴射出的原子數(shù)。產(chǎn)額很大程度決定了濺射淀積的速率。濺射產(chǎn)額在產(chǎn)額在0.50.5到到1.51.5之間變化，之間變化，0.50.5的濺射產(chǎn)額意指，平均來(lái)講兩個(gè)的濺射產(chǎn)額意指，平均來(lái)講兩個(gè)離子轟擊一個(gè)靶，有一個(gè)原子被噴射出。濺射產(chǎn)額取決于下列離子轟擊一個(gè)靶，有一個(gè)原子被噴射出。濺射產(chǎn)額取決于下列條件：條件：1.1.轟擊離子的入射角。轟擊離子的入射角。2.2.靶材料的組分和它的幾何因素。靶材料的組分和它的幾何因素。3.3.轟擊離子的質(zhì)

42、量。轟擊離子的質(zhì)量。4.4.轟擊離子的能量。轟擊離子的能量。 增加濺射淀積速率的方法之一是把等離子體限制在靶和硅增加濺射淀積速率的方法之一是把等離子體限制在靶和硅片之間的區(qū)域。由于離子化過(guò)程，在靠近靶的前面和側(cè)面有暗片之間的區(qū)域。由于離子化過(guò)程，在靠近靶的前面和側(cè)面有暗區(qū)，暗區(qū)屏蔽罩被放置在靶側(cè)面以防側(cè)面被濺射，因?yàn)檫@些被區(qū)，暗區(qū)屏蔽罩被放置在靶側(cè)面以防側(cè)面被濺射，因?yàn)檫@些被濺射的材料永遠(yuǎn)不會(huì)淀積在硅片上。屏蔽罩需要定期清理，因?yàn)R射的材料永遠(yuǎn)不會(huì)淀積在硅片上。屏蔽罩需要定期清理，因?yàn)楸粸R射的靶材料堆積在屏蔽罩表面，這會(huì)引起顆粒污染。為被濺射的靶材料堆積在屏蔽罩表面，這會(huì)引起顆粒污染。7.3.2

43、 濺射22 靶因離子轟擊而慢慢地被侵蝕，當(dāng)大約靶因離子轟擊而慢慢地被侵蝕，當(dāng)大約5050或再多一或再多一點(diǎn)兒的靶被侵蝕掉時(shí)，就要求更換靶。濺射過(guò)程中消耗掉的點(diǎn)兒的靶被侵蝕掉時(shí)，就要求更換靶。濺射過(guò)程中消耗掉的許多能量是以熱的形式在靶中消耗掉的，或者由靶發(fā)射的二許多能量是以熱的形式在靶中消耗掉的，或者由靶發(fā)射的二次電子和光子耗散掉的?；谶@個(gè)原因，靶材料需要冷卻以次電子和光子耗散掉的?；谶@個(gè)原因，靶材料需要冷卻以維持低的靶溫。維持低的靶溫。 除了被濺射的原子被轟擊外，還有其他核素淀積在襯除了被濺射的原子被轟擊外，還有其他核素淀積在襯底上（見(jiàn)下圖）。這些核素給襯底加熱（使溫度達(dá)到底上（見(jiàn)下圖）。

44、這些核素給襯底加熱（使溫度達(dá)到350350），引起了薄膜淀積不均勻。在鋁的淀積過(guò)程中，高），引起了薄膜淀積不均勻。在鋁的淀積過(guò)程中，高溫也能產(chǎn)生不需要的鋁氧化，這妨礙了濺射過(guò)程。在二極管溫也能產(chǎn)生不需要的鋁氧化，這妨礙了濺射過(guò)程。在二極管濺射期間，許多核素撞擊硅片表面，由于是對(duì)靈敏器件的輻濺射期間，許多核素撞擊硅片表面，由于是對(duì)靈敏器件的輻射，也增加損壞的可能性。射，也增加損壞的可能性。7.3.2 濺射237.3.2 濺射24 注意二極管濺射期間雜質(zhì)氣體原子的存在。如果雜質(zhì)原子摻雜注意二極管濺射期間雜質(zhì)氣體原子的存在。如果雜質(zhì)原子摻雜進(jìn)正在襯底上生長(zhǎng)的薄膜，這將引起薄膜質(zhì)量問(wèn)題。這些污染源進(jìn)正

45、在襯底上生長(zhǎng)的薄膜，這將引起薄膜質(zhì)量問(wèn)題。這些污染源是是：（：（1 1）不純的濺射氣體，）不純的濺射氣體，(2)(2)從承片臺(tái)釋放的氣體，（從承片臺(tái)釋放的氣體，（3 3）從腔）從腔壁釋放的氣體，（壁釋放的氣體，（4 4）真空系統(tǒng)的泄漏。使用超高純度（）真空系統(tǒng)的泄漏。使用超高純度（UHPUHP）的）的濺射氣體并且確認(rèn)腔體沒(méi)有任何泄漏是必不可少的。濺射氣體并且確認(rèn)腔體沒(méi)有任何泄漏是必不可少的。對(duì)每一個(gè)濺射系統(tǒng)陰極和陽(yáng)極之間的空間必須進(jìn)行優(yōu)化，目對(duì)每一個(gè)濺射系統(tǒng)陰極和陽(yáng)極之間的空間必須進(jìn)行優(yōu)化，目的是讓被濺射的原子盡可能多地被淀積在硅片上，形成滿足要求的是讓被濺射的原子盡可能多地被淀積在硅片上，形

46、成滿足要求的膜。的膜。下面討論三類濺射系統(tǒng)：下面討論三類濺射系統(tǒng)：nRF (RF (射頻射頻) )n磁控磁控 nIMP IMP （離子化的金屬等離子體）（離子化的金屬等離子體） 簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單的RFRF濺射系統(tǒng)因其固有的低頻率，而不被用于硅片制濺射系統(tǒng)因其固有的低頻率，而不被用于硅片制造業(yè)。磁控是最廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)濺射系統(tǒng)。離子化的金屬等離造業(yè)。磁控是最廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)濺射系統(tǒng)。離子化的金屬等離子體對(duì)亞子體對(duì)亞0.250.25微米技術(shù)來(lái)說(shuō)正變得越來(lái)越普通。微米技術(shù)來(lái)說(shuō)正變得越來(lái)越普通。7.3.2 濺射25nRF (RF (射頻射頻) ) 在在RFRF濺射系統(tǒng)中，等離子體是由濺射系統(tǒng)中，等離子體是由RF

47、RF場(chǎng)而非上面所描述的場(chǎng)而非上面所描述的DCDC場(chǎng)產(chǎn)生的。場(chǎng)產(chǎn)生的。RFRF頻率通常為頻率通常為13.56MHz13.56MHz，加在靶電極的背面并通過(guò)，加在靶電極的背面并通過(guò)電容耦合到前面（見(jiàn)下圖）。等離子體中的電子和離子都處在電容耦合到前面（見(jiàn)下圖）。等離子體中的電子和離子都處在RFRF場(chǎng)的作用之下，但由于高頻的緣故，電子的響應(yīng)最強(qiáng)烈。腔場(chǎng)的作用之下，但由于高頻的緣故，電子的響應(yīng)最強(qiáng)烈。腔體和電極的作用像一個(gè)二極管產(chǎn)生大量的電子流，導(dǎo)致負(fù)電荷體和電極的作用像一個(gè)二極管產(chǎn)生大量的電子流，導(dǎo)致負(fù)電荷堆積在靶電極上。這些負(fù)電荷（由自偏置產(chǎn)生）吸引正的氬離堆積在靶電極上。這些負(fù)電荷（由自偏置產(chǎn)生）

48、吸引正的氬離子引起對(duì)絕緣或非絕緣靶材料的濺射。子引起對(duì)絕緣或非絕緣靶材料的濺射。 硅片能夠被電偏置在與氬離子不同的場(chǎng)勢(shì)。加在硅片上的硅片能夠被電偏置在與氬離子不同的場(chǎng)勢(shì)。加在硅片上的偏置引起氬原子直接轟擊硅片。偏置引起氬原子直接轟擊硅片。RFRF偏置允許露在外面的硅片被偏置允許露在外面的硅片被刻蝕和清理?？涛g和清理。 實(shí)際上，由于實(shí)際上，由于RFRF濺射系統(tǒng)的濺射產(chǎn)額不高，導(dǎo)致它的淀積濺射系統(tǒng)的濺射產(chǎn)額不高，導(dǎo)致它的淀積速率低，因此應(yīng)用受到限制。由靶發(fā)射的許多二次電子穿過(guò)放速率低，因此應(yīng)用受到限制。由靶發(fā)射的許多二次電子穿過(guò)放電區(qū)，對(duì)等離子體的產(chǎn)生沒(méi)有貢獻(xiàn)。如果這些電子被限制與離電區(qū)，對(duì)等離子

49、體的產(chǎn)生沒(méi)有貢獻(xiàn)。如果這些電子被限制與離子碰撞，導(dǎo)致更多的離子產(chǎn)生以轟擊靶，那么它的濺射率將高子碰撞，導(dǎo)致更多的離子產(chǎn)生以轟擊靶，那么它的濺射率將高得多。在硅片制造業(yè)中為克服低效率，并取得高的金屬淀積速得多。在硅片制造業(yè)中為克服低效率，并取得高的金屬淀積速率，磁控濺射的概念需要發(fā)展。率，磁控濺射的概念需要發(fā)展。7.3.2 濺射267.3.2 濺射27n磁控濺射磁控濺射 磁控濺射是在靶的周圍和后面裝置了磁體以俘獲并限制電磁控濺射是在靶的周圍和后面裝置了磁體以俘獲并限制電子于靶的前面（見(jiàn)下圖）。這種設(shè)置增加了離子在靶上的轟擊子于靶的前面（見(jiàn)下圖）。這種設(shè)置增加了離子在靶上的轟擊率，產(chǎn)生更多的二次電

50、子，進(jìn)而增加等離子體中電離的速率。率，產(chǎn)生更多的二次電子，進(jìn)而增加等離子體中電離的速率。最后的結(jié)果是，更多的離子引起對(duì)靶更多的濺射，因此增加了最后的結(jié)果是，更多的離子引起對(duì)靶更多的濺射，因此增加了系統(tǒng)的淀積速率。在用于金屬化鋁和接觸合金的單個(gè)硅片淀積系統(tǒng)的淀積速率。在用于金屬化鋁和接觸合金的單個(gè)硅片淀積系統(tǒng)中，磁控濺射的發(fā)明提高了淀積速率，這是濺射已經(jīng)處于系統(tǒng)中，磁控濺射的發(fā)明提高了淀積速率，這是濺射已經(jīng)處于主導(dǎo)地位的主要原因之一。主導(dǎo)地位的主要原因之一。7.3.2 濺射28 磁控濺射設(shè)計(jì)需要有一個(gè)能量（大約從磁控濺射設(shè)計(jì)需要有一個(gè)能量（大約從300kW300kW到到20kW20kW），供），

51、供應(yīng)給氬等離子體，以便取得最大的濺射速率。由于靶吸收了這些應(yīng)給氬等離子體，以便取得最大的濺射速率。由于靶吸收了這些能量中的大多數(shù)，并且靶與陰極接觸，因此陰極的冷卻是必需的。能量中的大多數(shù)，并且靶與陰極接觸，因此陰極的冷卻是必需的。濺射淀積在大硅片上面臨的重要挑戰(zhàn)是膜的均勻性。在單片集成濺射淀積在大硅片上面臨的重要挑戰(zhàn)是膜的均勻性。在單片集成設(shè)備中，為了取得高濺射速率和膜的均勻性，需要發(fā)展能夠旋轉(zhuǎn)、設(shè)備中，為了取得高濺射速率和膜的均勻性，需要發(fā)展能夠旋轉(zhuǎn)、裝置稀土和高強(qiáng)度永磁體的新陰極。裝置稀土和高強(qiáng)度永磁體的新陰極。 臺(tái)階覆蓋臺(tái)階覆蓋 濺射需要真空環(huán)境，使用高純度的氬氣以避免殘余氣體的污濺射需

52、要真空環(huán)境，使用高純度的氬氣以避免殘余氣體的污染。濺射過(guò)程中的真空度大約染。濺射過(guò)程中的真空度大約1 1毫托，其平均自由程為幾厘米，毫托，其平均自由程為幾厘米，大約等于靶和硅片之間的距離。正因?yàn)檫@個(gè)距離，從靶上被撞擊大約等于靶和硅片之間的距離。正因?yàn)檫@個(gè)距離，從靶上被撞擊出的原子基本上通過(guò)它沿直線淀積在硅片上。出的原子基本上通過(guò)它沿直線淀積在硅片上。 這個(gè)直線路徑對(duì)于從靶上噴射出來(lái)的原子存在許多不同的入這個(gè)直線路徑對(duì)于從靶上噴射出來(lái)的原子存在許多不同的入射角度，導(dǎo)致接觸孔與通孔的臺(tái)階和側(cè)壁弱的覆蓋。由于它們的射角度，導(dǎo)致接觸孔與通孔的臺(tái)階和側(cè)壁弱的覆蓋。由于它們的幾何圖形，側(cè)壁和具有高深寬比接

53、觸窗口以及通孔的底部將僅為幾何圖形，側(cè)壁和具有高深寬比接觸窗口以及通孔的底部將僅為淀積在頂部表面金屬的淀積在頂部表面金屬的1010或更少?；谶@個(gè)原因，當(dāng)?shù)矸e材料或更少。基于這個(gè)原因，當(dāng)?shù)矸e材料在具有高深寬比的臺(tái)階和溝道上時(shí)，通常不選擇在具有高深寬比的臺(tái)階和溝道上時(shí)，通常不選擇PVDPVD。7.3.2 濺射29準(zhǔn)直濺射準(zhǔn)直濺射 為了在接觸孔或通孔的底部和邊沿取得較好的覆蓋，為了在接觸孔或通孔的底部和邊沿取得較好的覆蓋，通過(guò)利用準(zhǔn)直濺射能夠獲得直接的增強(qiáng)（見(jiàn)下圖）。設(shè)置通過(guò)利用準(zhǔn)直濺射能夠獲得直接的增強(qiáng)（見(jiàn)下圖）。設(shè)置的準(zhǔn)直器好像是等離子體的地極。用這種方式，任何從靶的準(zhǔn)直器好像是等離子體的地極

54、。用這種方式，任何從靶上被濺射出的高角度中性核素被中斷，并淀積在準(zhǔn)直器上。上被濺射出的高角度中性核素被中斷，并淀積在準(zhǔn)直器上。才能夠靶上直線噴射的其他原子將通過(guò)準(zhǔn)直器淀積在接觸才能夠靶上直線噴射的其他原子將通過(guò)準(zhǔn)直器淀積在接觸孔的底部，準(zhǔn)直器在接觸孔或通孔中減少了對(duì)側(cè)墻的覆蓋?？椎牡撞浚瑴?zhǔn)直器在接觸孔或通孔中減少了對(duì)側(cè)墻的覆蓋。 準(zhǔn)直器的應(yīng)用意味著被濺射材料大部分將到達(dá)不了硅準(zhǔn)直器的應(yīng)用意味著被濺射材料大部分將到達(dá)不了硅片，因?yàn)楸粸R射材料的大部分終止在準(zhǔn)直器上。這個(gè)結(jié)果片，因?yàn)楸粸R射材料的大部分終止在準(zhǔn)直器上。這個(gè)結(jié)果降低了濺射的產(chǎn)額，增加了淀積的成本，因?yàn)橹挥泻苌僭档土藶R射的產(chǎn)額，增加了淀

55、積的成本，因?yàn)橹挥泻苌僭拥竭_(dá)硅片表面；同時(shí)因?yàn)榘械睦寐式档停S持費(fèi)用增子到達(dá)硅片表面；同時(shí)因?yàn)榘械睦寐式档停S持費(fèi)用增加。如果臺(tái)階覆蓋是一個(gè)關(guān)鍵因素，那么在磁控濺射的基加。如果臺(tái)階覆蓋是一個(gè)關(guān)鍵因素，那么在磁控濺射的基礎(chǔ)上用礎(chǔ)上用IMPIMP或或CVDCVD淀積會(huì)更有效。淀積會(huì)更有效。7.3.2 濺射307.3.2 濺射31n離子化的金屬等離子體離子化的金屬等離子體 對(duì)高性能對(duì)高性能ICIC而言，硅片制造業(yè)中存在的一個(gè)濺射技術(shù)問(wèn)而言，硅片制造業(yè)中存在的一個(gè)濺射技術(shù)問(wèn)題是：當(dāng)特征尺寸縮小時(shí)，濺射進(jìn)入具有高深寬比的通孔和題是：當(dāng)特征尺寸縮小時(shí)，濺射進(jìn)入具有高深寬比的通孔和狹窄溝道的能力受到限

56、制。為了克服這個(gè)問(wèn)題，最近在狹窄溝道的能力受到限制。為了克服這個(gè)問(wèn)題，最近在PVDPVD方方面的發(fā)展是離子化的金屬等離子體面的發(fā)展是離子化的金屬等離子體PVDPVD（IMPIMP或離子化的或離子化的PVDPVD），），它于它于2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代中期被引入。這種方法是在壓力為年代中期被引入。這種方法是在壓力為2020到到4040毫托的毫托的RFRF等離子體中，濺射的金屬被離子化（見(jiàn)下圖）。由等離子體中，濺射的金屬被離子化（見(jiàn)下圖）。由于硅片上加了負(fù)的偏置電壓，正的金屬離子沿著垂直路徑朝于硅片上加了負(fù)的偏置電壓，正的金屬離子沿著垂直路徑朝硅片運(yùn)動(dòng)。偏置電壓也能用來(lái)控制入射金屬離子的能量，

57、它硅片運(yùn)動(dòng)。偏置電壓也能用來(lái)控制入射金屬離子的能量，它減少了對(duì)硅片表面的損壞。偏置的硅片能夠使薄膜在高深寬減少了對(duì)硅片表面的損壞。偏置的硅片能夠使薄膜在高深寬比間隙的底部和角落具有更高度的一致性。比間隙的底部和角落具有更高度的一致性。 離子化的離子化的PVDPVD為鈦和氮化鈦取得好的孔填充，其技術(shù)指標(biāo)為鈦和氮化鈦取得好的孔填充，其技術(shù)指標(biāo)能達(dá)到能達(dá)到0.250.25微米接觸和通孔、深寬比為微米接觸和通孔、深寬比為6 6：1 1、覆蓋底部的、覆蓋底部的7070、覆蓋側(cè)墻的、覆蓋側(cè)墻的1010以及極好的側(cè)壁完整性。在底部和底部以及極好的側(cè)壁完整性。在底部和底部角落的覆蓋很關(guān)鍵，并且以典型的側(cè)壁角度

58、角落的覆蓋很關(guān)鍵，并且以典型的側(cè)壁角度8585減少了洞的減少了洞的側(cè)面積。側(cè)面積。7.3.2 濺射32 在在0.250.25微米或更小的器件產(chǎn)品制造中，離子化的微米或更小的器件產(chǎn)品制造中，離子化的PVDPVD被用被用于淀積鈦和氮化鈦?zhàn)钃鯇樱@些小器件都具有高深寬比接觸于淀積鈦和氮化鈦?zhàn)钃鯇?，這些小器件都具有高深寬比接觸和通孔結(jié)構(gòu)。它也能淀積鉭、氮化鉭和銅，對(duì)于銅金屬化來(lái)和通孔結(jié)構(gòu)。它也能淀積鉭、氮化鉭和銅，對(duì)于銅金屬化來(lái)說(shuō)這些都是重要金屬。離子化說(shuō)這些都是重要金屬。離子化PVDPVD的發(fā)展，已經(jīng)在高深寬比間的發(fā)展，已經(jīng)在高深寬比間隙的填充方面進(jìn)一步擴(kuò)展了濺射的應(yīng)用。隙的填充方面進(jìn)一步擴(kuò)展了濺射

59、的應(yīng)用。7.3.2 濺射33 由于化學(xué)氣相淀積具有優(yōu)良等角的臺(tái)階覆蓋以及對(duì)高深寬由于化學(xué)氣相淀積具有優(yōu)良等角的臺(tái)階覆蓋以及對(duì)高深寬比接觸和通孔無(wú)間隙式的填充，在金屬淀積方面它的應(yīng)用正在比接觸和通孔無(wú)間隙式的填充，在金屬淀積方面它的應(yīng)用正在增加。當(dāng)器件的特征尺寸減小到增加。當(dāng)器件的特征尺寸減小到0.150.15微米或更小時(shí)，這些因素微米或更小時(shí)，這些因素在硅片制造業(yè)中至關(guān)重要。在在硅片制造業(yè)中至關(guān)重要。在0.150.15微米的器件設(shè)計(jì)中，微米的器件設(shè)計(jì)中，DRAMDRAM存存儲(chǔ)器通孔的深寬比被設(shè)計(jì)成儲(chǔ)器通孔的深寬比被設(shè)計(jì)成7 7：1 1，邏輯電路被設(shè)計(jì)成，邏輯電路被設(shè)計(jì)成2.42.4：1 1。n

60、鎢鎢CVDCVD 作為淀積通孔填充薄膜以及在第一金屬層與硅化物接觸作為淀積通孔填充薄膜以及在第一金屬層與硅化物接觸之間扮演接觸填充物的過(guò)程，鎢之間扮演接觸填充物的過(guò)程，鎢CVDCVD被用于多層互連技術(shù)。被用于多層互連技術(shù)。基于其低電阻率，鎢基于其低電阻率，鎢CVDCVD也被用于局域互連。用于一個(gè)微芯也被用于局域互連。用于一個(gè)微芯片上數(shù)以十億計(jì)的鎢片上數(shù)以十億計(jì)的鎢CVDCVD填充薄膜，工作性能穩(wěn)定。然而由填充薄膜，工作性能穩(wěn)定。然而由于新的大馬士革銅金屬化方案的引入，使它作為垂直互連的于新的大馬士革銅金屬化方案的引入，使它作為垂直互連的應(yīng)用受到限制。鎢應(yīng)用受到限制。鎢CVDCVD作為填充材料很