課件-西安交通大學(xué)_微電子制造技術(shù)_第十二章_金屬化

1、微電子制造技術(shù)第 12 章 金屬化 概 述 金屬化是指芯片制造過(guò)程中在絕緣介質(zhì)薄膜上淀積金屬薄膜，并通過(guò)光刻形成互連金屬線(xiàn)和集成電路的孔填充塞的過(guò)程。金屬線(xiàn)被夾在兩個(gè)絕緣介質(zhì)層中間形成整體。高性能的微處理器用金屬線(xiàn)在一個(gè)芯片上連接成千上萬(wàn)甚至上億個(gè)器件，所以其復(fù)查程度是可想而知的。 由于ULSI組件的密度增加，互聯(lián)線(xiàn)的寬度和間距在不斷變小?；ミB電阻和寄生電容也會(huì)隨之增加，從而降低了信號(hào)的傳輸速度。 減小互連電阻可通過(guò)用銅取代鋁作為基本的導(dǎo)電金屬已成為現(xiàn)實(shí)。除此之外，對(duì)于亞微米的線(xiàn)寬，還需要采用低K值層間介質(zhì)(ILD)降低介電常數(shù)來(lái)減少寄生電容。學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)1.了解芯片制造中的6種金屬，討論它

2、們的性能要求并給出每種金屬的應(yīng)用；2.解釋在芯片制造過(guò)程中使用各種金屬的優(yōu)缺點(diǎn)，描述應(yīng)用銅的挑戰(zhàn)；3.分析濺射的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)；4.了解銅電鍍的基礎(chǔ)；5.熟悉雙大馬士革法的工藝流程。 金屬化對(duì)不同的金屬連接有專(zhuān)門(mén)的術(shù)語(yǔ)名稱(chēng)。互連（interconnect）意指由導(dǎo)電材料（鋁、多晶硅或銅）制成的連線(xiàn)將信號(hào)傳輸?shù)叫酒牟煌糠??；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（contact）意指芯片內(nèi)的器件與第一層金屬之間在硅表面的連接。通孔（via）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之間形成電通路的開(kāi)口。填充薄膜 是指用金屬薄膜填充通孔，以便在兩金屬層之間形成電連接。層間介質(zhì)金

3、屬互連結(jié)構(gòu)在硅中擴(kuò)散的有源區(qū)亞0.25m CMOS 剖面具有鎢塞的通孔互連結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬互連局部互連（鎢）初始金屬接觸Figure 12.1 多層金屬化 層間介質(zhì)（ILD）是絕緣材料，它分離了金屬之間的電連接。ILD一旦被淀積，通過(guò)光刻、刻蝕形成通孔，以便為各金屬層之間形成通路，再用金屬(通常是鎢W)填充通孔，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)300mm2芯片上的通孔數(shù)達(dá)到一千億個(gè)。在一層ILD中制造通孔的工藝，在芯片上的每一層都被重復(fù)。 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。這種變化源于銅刻蝕很困難，為了克服這個(gè)問(wèn)題，銅冶金術(shù)應(yīng)用雙大馬士革

4、法處理，以形成通孔和銅互連。這種金屬化過(guò)程與傳統(tǒng)金屬化過(guò)程相反（見(jiàn)圖12.2）。傳統(tǒng)互連流程氧化硅通孔2刻蝕 鎢淀積 + CMP金屬2淀積 + 刻蝕覆蓋 ILD 層和 CMP雙大馬士革流程覆蓋 ILD 層和 CMP氮化硅刻蝕終止層 (光刻和刻蝕)第二層 ILD 淀積和穿過(guò)兩層氧化硅刻蝕銅填充銅CMPFigure 12.2 傳統(tǒng)金屬化工藝和大馬士革金屬化工藝比較 Photo 12.1 銅金屬化 以提高電路性能為目的，用于芯片互連的金屬和金屬合金的類(lèi)型正在發(fā)展，對(duì)一種成功的金屬材料的要求是： 1.導(dǎo)電率: 2.黏附性 3.淀積工藝 4.刻印圖形/平坦化 5.可靠性 6.抗腐蝕性 7.應(yīng)力金屬類(lèi)型

5、Table 12.1 硅片制造業(yè)中所選擇的金屬 (at 20C) 在芯片制造業(yè)中各種金屬和金屬合金可組成下列種類(lèi)鋁鋁銅合金銅阻擋層金屬硅化物金屬填充塞 鋁 在半導(dǎo)體制造業(yè)中，最早的互連金屬是鋁，目前在VLSI以下的工藝中仍然是最常用的互連金屬。在本世紀(jì)制造高性能IC工藝中，銅互連金屬已經(jīng)取代傳統(tǒng)的鋁。然而，由于基本工藝中鋁互連金屬的普遍性， 所以了解鋁金屬化也是非常有必要的。 鋁在20時(shí)具有2.65-cm的低電阻率，比銅、金及銀的電阻率略高。然而銅和銀都比較容易腐蝕，且在硅和二氧化硅中有高的擴(kuò)散率，這些都阻止它們被用于半導(dǎo)體制造。另一方面，鋁能夠很容易和二氧化硅反應(yīng)，通過(guò)加熱形成氧化鋁（AL2

6、O3），進(jìn)而促進(jìn)了氧化硅和鋁之間的附著。還有鋁容易淀積在硅片上?；谶@些原因。鋁仍然作為首選的金屬應(yīng)用于金屬化。Figure 12.3 鋁互連 歐姆接觸 為了在金屬和硅之間形成良好的歐姆接觸，通常采用熱處理（400500）方法實(shí)現(xiàn)，在惰性氣體或還原的氫氣環(huán)境中進(jìn)行。此過(guò)程也被稱(chēng)為低溫退火或燒結(jié)。在硅上加熱烘烤鋁形成期望的電接觸界面，被稱(chēng)為歐姆接觸（有很低的電阻）。接觸電阻與接觸面積成反比。在現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)中，歐姆接觸用特殊的難熔金屬（以硅化物形式出現(xiàn)的鈦）在硅表面作為接觸以減小電阻、增強(qiáng)附著（見(jiàn)圖12.4）。 在某些特殊的芯片上有上億個(gè)接觸點(diǎn)，為了獲得良好的電性能，一個(gè)可靠的具有低電阻和牢固附著

7、的界面是非常重要的。Gate阻擋層金屬歐姆接觸鋁、鎢、銅等SourceDrainOxideFigure 12.4 歐姆接觸結(jié)構(gòu) 結(jié)“穿通”：在加熱過(guò)程中，鋁和硅能夠相互共溶共溶點(diǎn)溫度(570)比各自的熔點(diǎn)低，形成接觸金屬和硅的微合金，在純鋁和硅界面加熱時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)尖刺發(fā)生，并導(dǎo)致鋁向硅中擴(kuò)散，出現(xiàn)所謂的結(jié)“穿通”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響器件性能，結(jié)尖刺的問(wèn)題可通過(guò)在鋁中添加硅和阻擋層金屬化兩種方法解決。結(jié)短路淺結(jié)Figure 12.5 鋁銅合金：由于鋁的低電阻率及其與硅片制造工藝的兼容性，因此被選擇為IC的主要互連材料。然而鋁有眾所周知的電遷徙(Electromigration)引起的可靠性問(wèn)題。

8、由于電遷徒會(huì)在金屬表面金屬原子堆積形成小丘(如圖所示)，如果大量的小丘形成，毗鄰的連線(xiàn)或兩層之間的連線(xiàn)有可能短接在一起。這就使在ULSI中用銅取代鋁的原因之一。在ULIS技術(shù)、高級(jí)電路的設(shè)計(jì)中，芯片溫度會(huì)隨著電流密度而增加，兩者都會(huì)使鋁芯片金屬化更易引起電遷徒。小丘短接的兩條金屬線(xiàn)金屬線(xiàn)中的空洞Figure 12.6 IC互連金屬化引入銅的優(yōu)點(diǎn)1.電阻率的減?。涸?0時(shí)，互連金屬線(xiàn)的電阻率從鋁的2.65 mW-cm 減小到銅的1.678 mW-cm ；減少RC的信號(hào)延遲，增加芯片速度。2.功耗的減少：減小了線(xiàn)條電阻，降低了功耗。3.更高的集成密度：更窄的線(xiàn)寬，允許更高密度的電路集成，這意味著需

9、要更少的金屬層。4.良好的抗電遷徙性能：銅不需要考慮電遷徒問(wèn)題。5.更少的工藝步驟：用大馬士革 方法處理銅具有減少工藝步驟 20 to 30 %的潛力。 Table 12.2 與 0.25-m 器件比較互連延遲的變化 Table 12.3 鋁和銅之間特性和工藝的比較 對(duì)銅的挑戰(zhàn) 與傳統(tǒng)的鋁互連比較，用銅作為金屬互連主要涉及三個(gè)方面的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)明顯不同于鋁金屬化技術(shù)，在銅應(yīng)用于IC互連之前必須解決：銅的快速擴(kuò)散將進(jìn)入氧化硅和硅中，一旦銅擴(kuò)散 進(jìn)入器件的有源區(qū)，將會(huì)損壞器件。 2.應(yīng)用常規(guī)的等離子體刻蝕工藝，銅不容易形成圖形。干法刻蝕銅時(shí)，在它的化學(xué)反應(yīng)期間不產(chǎn)生 揮發(fā)性的副產(chǎn)物，而這一點(diǎn)對(duì)于

10、經(jīng)濟(jì)的干法刻蝕是必不可少的。 3.低溫下(200)空氣中，銅會(huì)很快被氧化，而 且不會(huì)形成保護(hù)層阻止銅進(jìn)一步氧化。 提高歐姆接觸及可靠性更有效的方法是用阻擋層金屬化，這種方法可消除諸如淺結(jié)材料刻蝕或結(jié)尖刺的問(wèn)題。阻擋層金屬是淀積金屬或金屬塞，作用是阻止層上下的材料互相混合(見(jiàn)下圖)。其厚度對(duì)0.25m工藝來(lái)說(shuō)為100nm；對(duì)0.35m工藝來(lái)說(shuō)為400600nm。阻擋層金屬銅Figure 12.7 用于銅互連結(jié)構(gòu)的阻擋層 阻擋層金屬在金屬互連中被廣泛應(yīng)用。為了連接鋁互連金屬和MOS源/漏之間的鎢填充薄膜接觸，阻擋層金屬阻止了硅和鎢互相進(jìn)入接觸點(diǎn)，也阻止了鎢和硅的擴(kuò)散以及任何結(jié)尖刺?？山邮艿淖钃鯇咏?/p>

11、屬的基本特征：1.有很好的阻擋擴(kuò)散作用；2.高導(dǎo)電率具有很低的歐姆接觸電阻；3.在半導(dǎo)體和金屬之間有很好的附著；4.抗電遷徙；5.對(duì)很薄的厚度在高溫下具有很好的穩(wěn)定性；6.抗侵蝕和氧化。 銅阻擋層金屬 銅在硅和二氧化硅中都有很高的擴(kuò)散率，這種高擴(kuò)散率將會(huì)破壞器件的性能。傳統(tǒng)的阻擋層金屬對(duì)銅來(lái)說(shuō)阻擋作用不夠，銅需要由一層薄膜阻擋層完全封閉起來(lái)，這層封閉薄膜的作用是加固附著并有效地阻止擴(kuò)散。對(duì)銅來(lái)說(shuō)對(duì)這個(gè)特殊的阻擋層金屬要求：1.阻止銅擴(kuò)散；2.低薄膜電阻；3.對(duì)介質(zhì)材料和銅都有很好的附著；4.與化學(xué)機(jī)械平坦化過(guò)程兼容；5.具有很好的臺(tái)階覆蓋，填充高深寬比間隙的金屬層是連續(xù)、等角的；6.允許銅有很

12、小的厚度，占據(jù)最大的橫截面積。 鉭作為銅的阻擋層金屬：對(duì)于銅互連冶金術(shù)來(lái)說(shuō)，鉭、氮化鉭和鉭化硅（TaSiN）都是阻擋層金屬的待選材料，阻擋層厚度必須很?。s75），以致它不影響具有高深寬比填充薄膜的電阻率而又能扮演一個(gè)阻擋層的角色銅鉭Figure 12.8 硅化物 難熔金屬與硅在一起發(fā)生反應(yīng)，熔合時(shí)形成硅化物。硅化物是一種具有熱穩(wěn)定性的金屬化合物，并且在硅/難熔金屬的分界面具有低的電阻率(見(jiàn)圖12.9)。在硅片制造業(yè)中，難熔金屬硅化物是非常重要的，為了提高芯片性能，需要減小許多源漏和柵區(qū)硅接觸的電阻。在鋁互連技術(shù)中，鈦和鈷是用于接觸的普通難熔金屬。 如果難熔金屬和多晶硅反應(yīng)。那么它被稱(chēng)為多晶硅

13、化物（見(jiàn)圖12.9）。摻雜的多晶硅被用作柵電極，相對(duì)而言它有較高的電阻率（約500-cm），正是這導(dǎo)致了不應(yīng)有的RC信號(hào)延遲。多晶硅化物對(duì)減小連接多晶硅的串聯(lián)電阻是有益的，同時(shí)也保持了多晶硅和氧化硅好的界面特性。鈦/鈦鉭阻擋層金屬金屬鎢鈦硅化物接觸Silicon substrate多晶硅柵鈦硅化物接觸OxideOxideSourceDrainFigure 12.9 硅接觸上的難溶金屬硅化物Table 12.4 硅化物的一些特性 Figure 12.11 TiSi2的退火相 自對(duì)準(zhǔn)硅化物 在優(yōu)化超大規(guī)模集成電路的性能方面，需要進(jìn)一步按比列縮小器件的尺寸，因此在源/漏和第一金屬層之間電接觸的面積是

14、很小的。這個(gè)小的接觸面積將導(dǎo)致接觸電阻增加。一個(gè)可提供穩(wěn)定接觸結(jié)構(gòu)、減小源/漏區(qū)接觸電阻的工藝被稱(chēng)為自對(duì)準(zhǔn)硅化物技術(shù)。它能很好地與源、漏以及多晶硅柵的硅對(duì)準(zhǔn)。許多芯片的性能問(wèn)題取決于自對(duì)準(zhǔn)硅化物的形成（見(jiàn)下圖）。 自對(duì)準(zhǔn)硅化物的主要優(yōu)點(diǎn)是避免了對(duì)準(zhǔn)誤差。自對(duì)準(zhǔn)硅化物STITiSi2STISGDTiSi2TiSi2TiSi2減少的方阻減少柵的電阻減少的接觸電阻減少的二極管漏電Figure 12.12 自對(duì)準(zhǔn)金屬硅化物的形成2. 鈦淀積Silicon substrate1. 有源硅區(qū)場(chǎng)氧化層側(cè)墻氧化層多晶硅有源硅區(qū)3. 快速熱退火處理鈦硅反應(yīng)區(qū)4. 鈦刻蝕TiSi2 形成Figure 12.13

15、金屬填充塞多層金屬化產(chǎn)生了對(duì)數(shù)以十億計(jì)的通孔用金屬填充塞填充的需要，以便在兩層金屬之間形成電連接。目前被用于填充的最普通的金屬是鎢，因此填充薄膜常常被稱(chēng)為鎢填充薄膜(圖12.14)。鎢具有均勻填充高深寬比通孔的能力，因此被選作傳統(tǒng)的填充材料。鎢可抗電遷徒引起的失效，因此也被用作阻擋層以禁止硅和第一層之間的擴(kuò)散及反應(yīng)。鎢是難熔材料，熔點(diǎn)為：3417，在20時(shí)，體電阻率是52.8-cm。鋁雖然電阻率比鎢低，但濺射的鋁不能填充具有高深寬比的通孔，基于這個(gè)原因，鋁被用作互連材料，鎢被限于做填充材料。多層金屬的鎢填充塞早期金屬化技術(shù)1. 厚氧化層淀積2. 氧化層平坦化3. 穿過(guò)氧化層刻蝕接觸孔4. 阻擋

16、層金屬淀積5. 鎢淀積6. 鎢平坦化1. 穿過(guò)氧化層刻蝕接觸孔2. 鋁淀積3. 鋁刻蝕在接觸孔 (通孔)中的鎢塞氧化硅(介質(zhì))鋁接觸孔氧化硅(介質(zhì))現(xiàn)代金屬化技術(shù)Figure 12.14 SiO2Photo 12.2 IC 中的金屬塞 金屬淀積系統(tǒng)物理氣相淀積 (PVD) 用于半導(dǎo)體制造業(yè)的傳統(tǒng)金屬化工藝歸并到被稱(chēng)為物理氣相淀積(PVD)一類(lèi)。PVD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。物理氣象淀積已成為淀積金屬薄膜最常用的技術(shù)。 在SSI和MSI集成電路時(shí)代，蒸發(fā)是主要的金屬化方法。由于蒸發(fā)工藝臺(tái)階覆蓋的特性差，所以后來(lái)被濺射取代。被用于傳統(tǒng)和雙大馬士革金屬化的不同金屬淀積

17、系統(tǒng)是： 蒸發(fā) 濺射 金屬 CVD 銅電鍍 蒸 發(fā) 在芯片制造的早期，所有金屬層都是通過(guò)蒸發(fā)(PVD)方法淀積的。為了獲得更好的臺(tái)階覆蓋、間隙填充和濺射速度，在70年代后期大多數(shù)芯片制造技術(shù)領(lǐng)域蒸發(fā)已被濺射取代。 蒸發(fā)由待蒸發(fā)的材料放進(jìn)坩鍋，在真空系統(tǒng)中加熱并使之蒸發(fā)(見(jiàn)圖12.15)。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)中保持高真空環(huán)境。被蒸汽分子的自由程增加，并在真空腔里以直線(xiàn)形式運(yùn)動(dòng)，直到它撞擊表面凝結(jié)形成薄膜。 蒸發(fā)的最大缺點(diǎn)是不能產(chǎn)生臺(tái)階覆蓋；性能上不能形成具有深寬比大于1:1的連續(xù)薄膜；還有對(duì)淀積合金的限制。機(jī)械泵高真空閥高真空泵工藝腔(鐘罩)坩鍋蒸發(fā)金屬載片

18、盤(pán)Figure 12.15 簡(jiǎn)單的蒸發(fā)裝置 濺 射 濺射是物理氣相淀積形式之一，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(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。濺射的優(yōu)點(diǎn)是:1.具有淀積并保持復(fù)雜合金原組分的能力；2.能夠淀積只有高溫才能熔化的難熔金屬；3.能夠控制在直徑為200mm或更大的硅片上淀積均 勻薄膜；4.具有多腔集成設(shè)備，能夠在淀積金屬前清除硅片 表面沾污和自然氧化層。 尾氣e-e-e-DC 直流二極管濺射裝置襯底 1) 電場(chǎng)產(chǎn)生 Ar+ 離子 2) 高能Ar+ 離子和 金屬靶撞擊 3) 將金屬原子 從

19、 靶中撞擊陽(yáng)極(+)陰極 (-)氬原子電場(chǎng)金屬靶等離子體 5) 金屬淀積在襯底上 6) 用真空泵將多余 物質(zhì)從腔中抽走4) 金屬原子向襯底遷移.進(jìn)氣+Figure 12.16 簡(jiǎn)單平行金屬板直流二極管濺射系統(tǒng) 基本濺射步驟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；在加速過(guò)程中獲得動(dòng)量，并轟擊靶；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；被撞擊（濺射）出的原子遷移到硅片表面；被濺射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，與靶材料相比，薄膜具有與它基本相同的材料組分；額外材料由真空泵抽走。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。氬被用做濺射離子，

20、是因?yàn)樗鄬?duì)較重并且化學(xué)上是惰性氣體，這避免了和生長(zhǎng)薄膜或靶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。工藝腔中的射頻電場(chǎng)使進(jìn)入工藝腔內(nèi)的中性的氬原子離化，產(chǎn)生出帶正電荷的氬離子。 帶正電荷的氬離子被陰極靶的負(fù)電位強(qiáng)烈吸引。當(dāng)這些帶電的氬離子通過(guò)輝光放電區(qū)時(shí)，它們被加速并獲得動(dòng)能。當(dāng)氬離子轟擊靶表面時(shí)，氬離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)移給靶材料以撞擊出一個(gè)或多個(gè)原子。被撞出的這些原子穿過(guò)等離子體抵達(dá)硅片表面，淀積形成均勻薄膜；陽(yáng)極(+)陰極 (-)電場(chǎng)金屬靶等離子體輝光產(chǎn)生的光子被濺射的原子Substrate高能原子中子包含雜質(zhì)的陰離子轟擊靶產(chǎn)生的X-射線(xiàn)陰離子e-Figure 12.18 不同核素淀積在襯底上 如圖所示，除了被濺射的原子外

21、，還有其它核素淀積在襯底上。這些核素會(huì)對(duì)襯底加熱(使溫度達(dá)到350)，引起薄膜淀積不均勻。在鋁的淀積過(guò)程中，高溫也可能產(chǎn)生不需要的鋁氧化，這反而妨礙了濺射過(guò)程。另外如果這些核素(雜質(zhì)原子)摻進(jìn)正在襯底上生長(zhǎng)的薄膜內(nèi)，將會(huì)引起薄膜的質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題。 以上介紹的濺射系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的直流二極管系統(tǒng)，它不能用于濺射介質(zhì)，因?yàn)殡姌O被介質(zhì)覆蓋后輝光放電不能夠維持。同樣也不能用于濺射刻蝕。下面介紹三類(lèi)濺射系統(tǒng)： RF (射頻) 磁控 IMP (離子化的金屬等離子體) 磁控濺射：在靶的周?chē)b置了磁體以俘獲并限制電子于靶的前面，這種裝置增加了離子在靶上的轟擊率，產(chǎn)生更多的二次電子，進(jìn)而增加原子電離的速率。使等離子

22、體增加，因此提高了淀積速率。DC 電源被加熱的硅片吸盤(pán)磁鐵氬氣入口真空泵 靶 陰極Figure 12.20 磁控濺射系統(tǒng) 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，通常利用準(zhǔn)直濺射能夠獲得較好的效果(見(jiàn)圖12.21)。設(shè)置的準(zhǔn)直器好像是等離子體的陰極。用這種方法，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。從靶上直線(xiàn)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)用意味著被濺射的材料大部分將到不了硅片，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)果降低了濺射的生產(chǎn)效率。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

23、用IMP或CVD淀積會(huì)更有效。 濺射薄膜覆蓋通孔的剖面圖Ar靶準(zhǔn)直器Figure 12.21 準(zhǔn)直濺射 離子化的金屬等離子體 隨著特征尺寸的不斷縮小，濺射進(jìn)入具有高深寬比通孔和狹窄溝道的能力受到限制。為了克服這個(gè)問(wèn)題，在PVD方面的發(fā)展是離子化的金屬等離子體PVD。這種方法是在壓力為2040毫托的RF等離子體中，濺射的金屬被離子化（見(jiàn)圖12.22）。 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硅片運(yùn)動(dòng)。偏置的硅片能使薄膜在高深寬比間隙的底部和角落具有更高的一致性。 離子化的PVD對(duì)0.25m工藝來(lái)講，主要用于淀積鈦和氮化鈦?zhàn)钃鯇?。離子化的金屬等離子體 PVD的概念Substrate

24、Electrode電極鈦靶+RF場(chǎng)高能氬離子鈦離子被濺射的鈦原子e-e-離子體DC 電源RF 發(fā)生器DC 場(chǎng)DC電源電感線(xiàn)圈Figure 12.22 金屬 CVD： 由于化學(xué)氣相淀積具有良好的臺(tái)階覆蓋以及對(duì)高深寬比接觸通孔無(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0.15m或更小時(shí)，這些因素在硅片制造業(yè)中至關(guān)重要。在0.15m的器件設(shè)計(jì)中，DRAM存儲(chǔ)器通孔的深寬比被設(shè)計(jì)成7:1，邏輯電路設(shè)計(jì)成2.4:1。 鎢 CVD極好的臺(tái)階覆蓋和間隙填充良好的抗電遷徙特性 銅 CVD極好的一致性 鎢 CVD 鎢填充薄膜淀積通常選用LPCVD，反應(yīng)器既可以是熱壁也可以是冷壁，最常

25、用的氣源是WF6，反應(yīng)方程如下： WF6(氣體)3H2 W(固體)6HF(氣體)與PVD相比，CVD淀積鎢的方法雖然成本較高，但淀積方向控制較好，在通孔中薄膜的均勻性更好，所以CVD是鎢淀積的首選方法。 CVD淀積鎢薄膜的質(zhì)量取決于硅片表面的化學(xué)反應(yīng)。Ti2 準(zhǔn)直鈦淀積覆 蓋通孔底部間隙填充介質(zhì)鋁通孔PECVD SiO21. 層間介質(zhì)通孔刻蝕CVD TiN 等角淀積TiN4. CVD 鎢淀積鎢通孔薄膜5. 鎢平坦化鎢填充薄膜Figure 12.23 具有 Ti/TiN 阻擋層金屬的墊膜鎢 CVD 銅電鍍 IC制造業(yè)轉(zhuǎn)到銅金屬化對(duì)所有芯片制造商來(lái)說(shuō)都只是剛剛起步。首先，高性能處理器和快速靜態(tài)存儲(chǔ)

26、器正在轉(zhuǎn)向銅工藝。 電鍍銅金屬的基本原理是將具有導(dǎo)電表面的硅片沉浸在硫酸銅溶液中，這個(gè)溶液包含所需要淀積的銅（見(jiàn)圖12.24）。硅片和種子層作為帶負(fù)電荷的平板或陰極電連接到外電源。固體銅塊沉浸在溶液中并構(gòu)成帶正電荷的陽(yáng)極。電子從硅片進(jìn)入溶液到達(dá)銅陽(yáng)極。當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，下列反應(yīng)在硅片表面淀積銅金屬： Cu2+ + 2e- Cuo- 陰極+ 陽(yáng)極襯底電鍍液入口出口出口銅離子 銅原子附著在硅片上+Figure 12.24 銅電鍍Photo 12.4 銅電鍍工具銅大馬士革結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在實(shí)現(xiàn)用銅作為微芯片的互連材料，用銅作為金屬互連需要解決的問(wèn)題是銅的快速擴(kuò)散和銅的刻蝕技術(shù)。 如前所述，銅的快速擴(kuò)散

27、可采用阻擋層進(jìn)行屏蔽，而銅的刻蝕技術(shù)則是采用所謂的大馬士革結(jié)構(gòu)解決。 其方法是通過(guò)在層間介質(zhì)中刻蝕孔和槽，然后淀積銅進(jìn)入刻蝕好的圖形，再應(yīng)用化學(xué)機(jī)械平坦化去除額外的銅。 雙大馬士革法有許多可能的過(guò)程步驟。表12.5中解釋了使用基本技術(shù)的工藝流程。表 12.5 -1 雙大馬士革法的銅金屬化1: SiO2 淀積說(shuō)明： 用 PECVD 淀積內(nèi)層氧化硅到希望的厚度，這里沒(méi)有關(guān)鍵的間隙填充，因此PECVD 是首選的制造工藝。SiO2Table 12.5.1 2：SiN 阻擋層淀積說(shuō)明： 厚 250 的 SiN 刻蝕阻擋層被淀積在內(nèi)層氧化硅上。 SiN需要致密，沒(méi)有針孔，因此使用 HDPCVD 。SiN表

28、 12.5-2 雙大馬士革法的銅金屬化Table 12.5.2 表 12.5-3 雙大馬士革法的銅金屬化3：確定通孔圖形和阻擋層說(shuō)明： 光刻確定圖形、干法刻蝕通孔窗口進(jìn)入 SiN中，刻蝕完成后去掉光刻膠。SiNTable 12.5.3 表 12.5-4 雙大馬士革法的銅金屬化4：淀積保留介質(zhì)的 SiO2說(shuō)明： 為保留層間介質(zhì)，PECVD 氧化硅淀積。SiO2Table 12.5.4 表 12.5-5 雙大馬士革法的銅金屬化5：確定互連圖形 說(shuō)明：光刻確定氧化硅槽圖形，帶膠。在確定圖形之前將通孔窗口放在槽里。PhotoresistTable 12.5.5 表 12.5-6 雙大馬士革法的銅金屬化6：刻蝕互連槽和通孔說(shuō)明：在層間介質(zhì)氧化硅中干法刻蝕溝道