集成電路制造工藝 課件 5金屬化

第十一章金屬化Actualcross-sectionofamodernmicroprocessorchipfromIBM

WCu

金屬化是芯片制造過程中在絕緣介質(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程。金屬線被夾在兩個介質(zhì)絕緣層中間形成電整體。關(guān)鍵術(shù)語和概念互連（Interconnection）：指由導(dǎo)電材料，如鋁，多晶硅或銅制成的連線將電信號傳輸?shù)叫酒牟煌糠?。接觸（Contact）：硅芯片內(nèi)的器件與第一層金屬層之間在硅表面的連接。通孔（Via）：穿過各種介質(zhì)層，從某一層金屬層到相鄰的另一金屬層形成電通路的開口。填充薄膜：指用金屬薄膜填充通孔，以便在兩金屬層間形成電連接。多層金屬化層間介質(zhì)金屬互連結(jié)構(gòu)硅襯底中的擴(kuò)散有源區(qū)

CMOS互連結(jié)構(gòu)剖面圖鎢塞通孔互連結(jié)構(gòu)金屬互連局部互連(鎢)初始金屬接觸多層銅互連11.1金屬類型

對一種合適的金屬材料的要求是：

1.導(dǎo)電率：為維持電性能的完整性，必須具有高導(dǎo)電率，能夠傳導(dǎo)高電流密度。

2.粘附性：能夠粘附下層襯底，容易與外電路實現(xiàn)電連接。與半導(dǎo)體和金屬表面連接時接觸電阻低。

3.淀積：易于淀積并經(jīng)低溫處理后具有均勻的結(jié)構(gòu)和組分（對于合金）。能夠為大馬士革金屬化工藝淀積具有高深寬比的間隙。

4.刻印圖形/平坦化：為刻蝕過程中不刻蝕下層介質(zhì)的傳統(tǒng)鋁金屬化工藝提供具有高分辨率的光刻圖形，大馬士革金屬化易于平坦化。

5.可靠性：為了在處理和應(yīng)用的過程中經(jīng)受住溫度循環(huán)變化，金屬應(yīng)相對柔軟且有較好的延展性。

6.抗腐蝕性：有很好的抗腐蝕性，在層與層之間及下層器件區(qū)具有最小的化學(xué)反應(yīng)。

7.應(yīng)力：很好的抗機(jī)械應(yīng)力特性以便減少硅片的扭曲和材料失效，比如斷裂、空洞的形成和應(yīng)力誘導(dǎo)腐蝕。

在硅片制造業(yè)中各種金屬和金屬合金可組合成下列種類：

●鋁

●鋁銅合金

●銅

●阻擋層金屬

●硅化物

●金屬填充塞硅與常用金屬化材料性質(zhì)對比(at20°C)MaterialMeltingTemperature(°C)Resistivity(mW-cm)Silicon(Si)1412?

109DopedPolysilicon(DopedPoly)1412?

500–525Aluminum(Al)6602.65Copper(Cu)10831.678Tungsten(W)34178Titanium(Ti)167060Tantalum(Ta)299613–16Molybdenum(Mo)26205Platinum(Pt)17721011.1.1鋁

在半導(dǎo)體制造業(yè)中，最早的互連金屬是鋁，鋁以薄膜的形式在硅片中連接不同器件。

鋁在20℃時具有2.65μΩ-cm的低電阻率。鋁容易和氧化硅反應(yīng)形成氧化鋁，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，可用濕法腐蝕而不影響下層薄膜。

鋁互連ILD-4ILD-5ILD-6頂層氮化硅壓焊點金屬-5鋁金屬-4通孔-4其他通孔，層間介質(zhì)和金屬層在金屬4之前處理.金屬-3

為了在鋁和硅之間形成接觸，在惰性氣體或還原的氫氣環(huán)境中，在400到500℃之間加熱。這個加熱烘烤過程也被稱為低溫退火或燒結(jié)。在硅上加熱烘烤鋁形成期望的電接觸界面，被稱為歐姆接觸。歐姆接觸有很低的電阻，其接觸界面的伏—安特性曲線滿足歐姆定律。

用鋁作為互連金屬在淺結(jié)時，在加熱過程中會出現(xiàn)結(jié)“穿通”現(xiàn)象。實質(zhì)上就是鋁和硅之間出現(xiàn)了不希望出現(xiàn)的反應(yīng)，該反應(yīng)導(dǎo)致接觸金屬和硅形成微合金，如果純鋁被加熱到450℃，硅將開始溶解在鋁中并達(dá)到一定的濃度，硅片中隨后留下了空洞，鋁就順著空洞下去直至穿通結(jié)（見圖14.2）。結(jié)穿通的問題可通過在鋁中添加硅和阻擋層金屬化兩種方法解決。結(jié)穿通結(jié)短路淺結(jié)11.1.2鋁銅合金

由于鋁的低電阻率及其與硅和硅片制造工藝的兼容性，因此它被選擇作為IC的主要互連材料。然而鋁有眾所周知的電遷徙引起的可靠性問題。電遷移（EM，Electromigration）：

在導(dǎo)電材料中通過大電流密度的情形下，電子和材料原子碰撞，產(chǎn)生動量傳遞，稱為電子風(fēng)。電子風(fēng)引起金屬原子逐漸移動，原子的移動導(dǎo)致原子在導(dǎo)體負(fù)極的損耗。這樣，在金屬連線上就會出現(xiàn)空洞和小丘。空洞會使連線減薄甚至斷路，小丘會使連線間發(fā)生短路。大多數(shù)的電遷移沿著晶粒邊界（GrainBoundary）發(fā)生，晶粒邊界與電流方向平行時，電遷移效果最為明顯。

電子風(fēng)作用模型與效果電遷移效應(yīng)導(dǎo)致的孔洞和凸起物

圖：（a）在平底通孔下方出現(xiàn)的由電遷移所導(dǎo)致的空洞橫跨整個導(dǎo)線厚度；（b）薄的空洞導(dǎo)致短的電遷移壽命；（c）平底通孔在拐角處出現(xiàn)空洞成核；（d）在錐形通孔下方的全跨度空洞平均失效時間（MTF）電遷移引起的一個半導(dǎo)體失效的平均時間（MTF）可以與電流密度J和激活能Ea聯(lián)系起來：實驗表明，對于淀積的鋁膜，Ea約為0.5eV，鋁單晶自擴(kuò)散的特征激活能約為1.4eV。

由鋁和銅形成的合金，當(dāng)銅的含量在0.5%到4%之間時，其連線中的電遷徙得到控制。而實驗也表明，銅的含量超過8%時，電遷徙將增加。11.1.3銅

在IC設(shè)計和制造中，由于銅互連技術(shù)的引入，銅互連線將取代鋁金屬化。當(dāng)硅片制造的設(shè)計規(guī)則降到0.15微米線寬或更低時，在芯片上器件集成密度增加，允許更多的電信號從器件到器件快速傳遞。高密度使得芯片的性能被改善，然而芯片改進(jìn)只有在器件之間的互連系統(tǒng)被優(yōu)化后才有可能實現(xiàn)。

IC互連金屬化引入銅的優(yōu)點是：

1.電阻率的減??；

2.減少了功耗；

3.更高的集成密度；

4.良好的抗電遷徙性能；

5.更少的工藝步驟

。

早期的器件制造不選用銅做互連金屬，因為銅有致命的缺陷，主要是：

1.銅很快擴(kuò)散進(jìn)氧化硅和二氧化硅；

2.應(yīng)用常規(guī)的等離子體刻蝕工藝，銅不能容易形成圖形；

3.空氣中極易氧化，并且不會生成保護(hù)膜阻止進(jìn)一步氧化。

4.銅跟二氧化硅粘附性差。11.1.4阻擋層金屬

提高歐姆接觸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)材料擴(kuò)散或結(jié)穿通的問題。阻擋金屬層是淀積金屬或金屬塞，作用是阻止層上下的材料互相混合（圖14.3）。用于銅互連結(jié)構(gòu)的阻擋層阻擋層金屬銅

可接受的阻擋層金屬的基本特性是：

1.有很好的阻擋擴(kuò)散特性，結(jié)果分界面兩邊材料（如鎢和硅）的擴(kuò)散率在燒結(jié)溫度時很低；

2.高電導(dǎo)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.在很薄且高溫下具有很好的穩(wěn)定性；

6.抗侵蝕和氧化。

通常用作阻擋層的金屬是一類具有高熔點被認(rèn)為是難熔的金屬。在硅片制造業(yè)中，用于多層金屬化的普通難熔金屬有鈦（Ti）、鎢（W）、鉭（Ta）、鉬（Mo）、鈷（Co）和鉑（Pt）。鈦鎢（TiW）和氮化鈦（TiN）也是兩種普通的阻擋層金屬材料，它們阻止硅襯底和鋁之間的擴(kuò)散。

銅在硅和二氧化硅中都有很高的擴(kuò)散率，這種高擴(kuò)散率將破壞器件的性能。傳統(tǒng)的阻擋層金屬對銅來說阻擋作用不夠，銅需要有一層薄膜阻擋層完全封裝起來，這層封裝薄膜的作用是加固附著并有效地阻止擴(kuò)散。在這兩個要求之間需要有一個平衡和折中，因為好的附著需要與銅有某種程度的反應(yīng)，而好的阻擋層金屬卻需要和銅之間沒有反應(yīng)。

對銅來說這個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)械平坦化過程兼容；

5.具有很好的臺階覆蓋，填充高深寬比間隙的金屬層是連續(xù)、等角的；

6.允許銅有最小厚度，占據(jù)最大的橫截面積。銅阻擋層金屬需要滿足的條件11.1.5硅化物

難熔金屬與硅在一起發(fā)生反應(yīng)，熔合時形成硅化物。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(圖14.4)。如果難熔金屬和多晶硅反應(yīng)，那么它被稱為多晶硅化物（見圖14.5）。摻雜的多晶硅被用作柵電極，相對而言它有較高的電阻率（約500μΩ-cm），正是這導(dǎo)致了不應(yīng)有的RC信號延遲。硅接觸上的難熔金屬硅化物鈦/鈦氮阻擋層金屬金屬鎢鈦硅化物接觸硅襯底多晶硅柵鈦硅化物（多晶硅化物）接觸場氧場氧SD多晶硅上的多晶硅化物鈦多晶硅化物鈦硅化物多晶硅柵摻雜硅

硅化物的形成通常要求把難熔金屬淀積在硅片上，接著進(jìn)行高溫退火處理以形成硅化物材料。在有硅的區(qū)域，金屬與硅反應(yīng)形成硅化物。在硅片表面的其他區(qū)域，如表面是氧化硅，有很少或沒有硅化物形成。在一些硅化物中發(fā)現(xiàn)，硅迅速的擴(kuò)散穿過硅化物。擴(kuò)散發(fā)生在金屬-硅化物-硅系統(tǒng)的熱處理過程中，硅擴(kuò)散穿過硅化物進(jìn)入到金屬中，這降低了系統(tǒng)的完整性。一個可提供穩(wěn)定接觸結(jié)構(gòu)、減小源和漏區(qū)接觸電阻的工藝被稱為自對準(zhǔn)硅化物技術(shù)?；镜淖詫?zhǔn)硅化物步驟顯示在圖14.6中。自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成2.鈦淀積硅襯底1.有源硅區(qū)場氧側(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.去除鈦TiSi2形成硅化物由TiSi2向NiSi的轉(zhuǎn)變TiSi2，隨著接觸層減薄電阻率增加迅速。熱消耗過高，燒結(jié)工藝為800攝氏度。CoSi，燒結(jié)溫度為750攝氏度。硅消耗高。NiSi燒結(jié)溫度為350－500攝氏度。11.1.6金屬填充塞

第一層金屬和硅器件之間以及兩層金屬之間為了形成電通路，需要在ILD上開通孔用金屬填充塞填充。目前被用于填充的最普通的金屬是鎢。鎢具有均勻填充高深寬比通孔的能力，鎢可抗電遷徙引起的失效，因此被選做傳統(tǒng)的填充材料，填充薄膜常常被稱為鎢填充薄膜（見圖14.7）。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.穿過氧化層刻蝕接觸孔4.阻擋層金屬淀積5.鎢淀積6.鎢平坦化1.穿過氧化層刻蝕接觸孔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)IC中的鎢塞SiO211.2.3金屬CVD一．鎢CVD

在銅互連方案引入之前，作為淀積通孔填充薄膜以及在第一層金屬層與硅化物接觸之間扮演接觸填充物的過程，鎢CVD被用于多層互連技術(shù)?；谄涞碗娮杪剩uCVD也被用于局域互連。鎢CVD很好的臺階覆蓋性和間隙填充，特別是高深寬比通孔的填充。良好的抗電遷移特性。WF6（氣體）＋3H2（氣體）——W＋6HF（氣體）具有Ti/TiN

阻擋層金屬的墊膜鎢CVDTi2.準(zhǔn)直鈦淀積覆蓋通孔底部間隙填充介質(zhì)鋁通孔PECVDSiO21.層間介質(zhì)通孔刻蝕3.CVDTiN等角淀積TiN4.CVD鎢淀積鎢通孔薄膜5.鎢平坦化鎢填充薄膜二.銅CVD

為淀積銅電鍍所必需的薄種子層，銅CVD是具有潛力的工藝。種子層或觸及電鍍層是一層厚度約500到1000?的薄層并淀積在擴(kuò)散阻擋層頂部。對于成功的電鍍而言，沿著側(cè)壁和底部，種子層連續(xù)的、沒有針孔和空洞是至關(guān)重要的。如果種子層不連續(xù)，就可能會在電鍍的銅中產(chǎn)生空洞。

銅CVD

2Cu1＋（hfac）(TMVS)（氣體）→Cu0（固體）＋Cu2＋(hfac)(氣體）＋2TMVS（氣體）

Cu（hfac）2（氣體）＋H2（氣體）——Cu0（固體）＋2H（hfac）（氣體）11.2.4銅電鍍

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，這個溶液包含需要被淀積的銅。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)成帶正電荷的陽極。電流從硅片進(jìn)入溶液到達(dá)銅陽極。當(dāng)電流流動時下列反應(yīng)在硅片表面發(fā)生以淀積銅金屬：

Cu2++2e-→Cu0

電鍍銅原理示意圖

電鍍設(shè)備實物圖選擇電鍍銅工藝的原因具有良好的臺階覆蓋（stepcoverage）和孔隙填充（trenchfilling）性能。與低K介質(zhì)兼容。與其他工藝相比，產(chǎn)生的銅晶粒更大。PVD(濺射)和電鍍銅的孔隙填充能力對比電鍍銅的孔隙填充過程電鍍銅的孔隙填充電遷移效應(yīng)對比：CVD和電鍍銅電鍍銅具有更強(qiáng)的抗電遷徙能力，因為其擁有更大的晶粒結(jié)構(gòu)晶粒邊界散射【附】IntelStrainedSiliconfor65nmTech

IntelStrainedSiliconTech

通過在松弛的鍺化硅表面外延一層單晶硅，由于硅和鍺化硅的晶格匹配失常，單晶硅受到下方鍺化硅的拉應(yīng)力，從而晶格被拉伸。11.3金屬化方案11.3.1傳統(tǒng)的鋁結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的互連金屬是鋁銅合金，并用SiO2作為層間介質(zhì)隔離金屬層。傳統(tǒng)鋁互連技術(shù)過程被看作一個鋁減去過程，因為鋁被淀積為無圖形薄膜，然后被刻蝕掉（減去）以形成電路。確定鋁互連線的寬度和間隔的關(guān)鍵步驟是金屬刻蝕，SiO2被淀積進(jìn)連線之間狹窄的間隙。11.3.2銅大馬士革結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在實現(xiàn)用銅作為微芯片的互連材料。因為銅不適合用于干法刻蝕，傳統(tǒng)工藝流程不采用銅金屬化。為了最大限度的減小銅擴(kuò)散到硅中，銅也有它自己的特殊要求。為了形成銅互連金屬線，應(yīng)用雙大馬士革方法以避免銅的刻蝕。在大馬士革過程中，不再需要金屬刻蝕確定線寬和間隙，而需要介質(zhì)刻蝕。傳統(tǒng)金屬化vs.大馬士革法傳統(tǒng)互連工藝流程OxideVia-2etchTungstendeposition+CMPMetal-2deposition+etchCapILDlayerandCMP雙大馬士革流程CapILDlayerandCMPNitrideetch-stoplayer(patternedandetched)SecondILDlayerdepositionandetchthroughtwooxidelayersCopperfillCopperCMP雙大馬士革方法：

對銅金屬化應(yīng)用大馬士革法最重要的原因是避免Cu刻蝕。大馬士革處理方法的第二個優(yōu)點是在刻蝕好的金屬線之間不再需要填充介質(zhì)間隙，因為介質(zhì)用作墊層，然后被刻蝕。雙大馬士革法:制造步驟少。