金属化与平坦化
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半导体 第十三讲 金属化与平坦化
的影响。平坦化就是将wafer表面起伏不平的介电层加以平
坦的工艺。经过平坦化处理的介电层，没有高低落差，在制
作金属线时很容易进行，而且光刻出的连线图形比较精确。
2
欧姆接触
加工成型的金属互连线与半导体之间由于功函数的差异
会形成一个势垒区。若只是简单的将金属和半导体连接在一 起，接触区就会出现整流效应，这种附加的单向导电性，使 得晶体管或集成电路不能正常工作。要使接触区不存在整流 效应，就是要形成欧姆接触，良好的欧姆接触应满足以下的
采用各种退火方法进行热退火，包括传统的烧结退火和 快速热退火，以便反应生产金属硅化物；
25
3.栓塞
多层金属布线使得金属
化系统中出现很多通孔，为
了保证两层金属间形成电通 路，这些通孔需要用金属塞 来填充。用于制作栓塞的材 料有很多种，但实用性较高，且已被集成电路制造广泛应用
的是钨塞和铝塞。
26
钨塞的制备有毯覆式金属钨淀积和选择性金属钨两种。 毯覆式金属钨淀积也叫反刻钨塞工艺，采用化学气相淀积法 生长钨薄膜后，将wafer上多余的钨刻蚀掉，是最广泛的制
方会出现空洞，金属连线变薄，极易引起断路，器件可靠性
较低。而在其它区域，由于原子的堆积会造成金属薄膜上出
现小丘，小丘短接会导致相邻的两条连线发生短路。器件工 作时，随着温度的增加，这两种缺陷会使铝的电迁移更加严 重，继而形成恶性循环 。 向铝中加入少量的铜（0.5%～4%），电迁移被有效
的抑制。但由于铜的抗腐蚀性较差，所以，金属反刻
接触区的整流特性严重退化，电压-电流的正反向特性趋于
一致，即由整流接触转化为欧姆接触。 势垒越窄，遂穿效应越明显，而势垒的宽度取决于半导 体的掺杂浓度，掺杂浓度越高，势垒越窄。因此，只要控制 好半导体的掺杂浓度，就可以得到良好的欧姆接触。
坦的工艺。经过平坦化处理的介电层，没有高低落差，在制
作金属线时很容易进行，而且光刻出的连线图形比较精确。
2
欧姆接触
加工成型的金属互连线与半导体之间由于功函数的差异
会形成一个势垒区。若只是简单的将金属和半导体连接在一 起，接触区就会出现整流效应，这种附加的单向导电性，使 得晶体管或集成电路不能正常工作。要使接触区不存在整流 效应，就是要形成欧姆接触，良好的欧姆接触应满足以下的
采用各种退火方法进行热退火，包括传统的烧结退火和 快速热退火，以便反应生产金属硅化物；
25
3.栓塞
多层金属布线使得金属
化系统中出现很多通孔，为
了保证两层金属间形成电通 路，这些通孔需要用金属塞 来填充。用于制作栓塞的材 料有很多种，但实用性较高，且已被集成电路制造广泛应用
的是钨塞和铝塞。
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钨塞的制备有毯覆式金属钨淀积和选择性金属钨两种。 毯覆式金属钨淀积也叫反刻钨塞工艺，采用化学气相淀积法 生长钨薄膜后，将wafer上多余的钨刻蚀掉，是最广泛的制
方会出现空洞，金属连线变薄，极易引起断路，器件可靠性
较低。而在其它区域，由于原子的堆积会造成金属薄膜上出
现小丘，小丘短接会导致相邻的两条连线发生短路。器件工 作时，随着温度的增加，这两种缺陷会使铝的电迁移更加严 重，继而形成恶性循环 。 向铝中加入少量的铜（0.5%～4%），电迁移被有效
的抑制。但由于铜的抗腐蚀性较差，所以，金属反刻
接触区的整流特性严重退化，电压-电流的正反向特性趋于
一致，即由整流接触转化为欧姆接触。 势垒越窄，遂穿效应越明显，而势垒的宽度取决于半导 体的掺杂浓度，掺杂浓度越高，势垒越窄。因此，只要控制 好半导体的掺杂浓度，就可以得到良好的欧姆接触。
微电子工艺的流程
微电子工艺的流程
1. 硅片制备：
从高纯度的多晶硅棒开始，通过切割、研磨和抛光等步骤制成具有一定直径和厚度的单晶硅片（晶圆）。
2. 氧化层生长：
在硅片表面生长一层二氧化硅作为绝缘材料，这通常通过热氧化工艺完成。
3. 光刻：
使用光刻机将设计好的电路图案转移到光刻胶上，通过曝光、显影等步骤形成掩模版上的图形。
4. 蚀刻：
对经过光刻处理的硅片进行干法或湿法蚀刻，去除未被光刻胶覆盖部分的硅或金属层，形成所需的结构。
5. 掺杂：
通过扩散或离子注入技术向硅片中添加特定元素以改变其电学性质，如N型或P型掺杂，形成PN结或晶体管的源极、漏极和栅极。
6. 薄膜沉积：
包括物理气相沉积（PVD，如溅射）和化学气相沉积（CVD），用于在硅片上沉积金属互连、导体、半导体或绝缘介质层。
7. 平坦化：
随着制作过程中的多次薄膜沉积，可能需要进行化学机械平坦化（CMP）处理，确保后续加工时各层间的均匀性。
8. 金属化与互联：
制作金属连线层来连接不同功能区，通常采用铝、铜或其他低电阻金属，并利用过孔实现多层布线之间的电气连接。
9. 封装测试：
完成所有芯片制造步骤后，对裸片进行切割、封装以及质量检测，包括电气性能测试、可靠性测试等。
第7章 金属化
综上所述，在硅IC制造业中，铝和它的主要过程是兼容的，并且成本 相对低廉，从IC制造的早期开始就选择它作为金属化的材料。然而，由 于硅片上电路集成度的增加，金属布线层数的增加，线宽划分得越来越 细，金属化工艺已经从简单的单层发展到多层金属布线。由于铜具有更 低的电阻率，因此它有望取代铝成为主要的互连金属材料。
传统上认为，在芯片上淀积金属薄膜的过程是物理过程，另一方面 淀积绝缘和半导体层的过程涉及CVD化学反应过程。随着新的IC金 属化技术引入，这种物理和化学过程的分界线变得越来越模糊。 1
7.1 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 电金属薄膜的过程。这一过程与介质的淀积紧密相连， 金属线在IC电路中传导信号，介质层则保证信号不受邻 近金属线的影响。金属和介质都是薄膜处理工艺，在某 些情况下金属和介质是由同种设备淀积的。
8
7.2 金属类型
但用铝作为金属化材料存在下述问题。 (a)电迁移现象：金属化铝是一种多晶结构，有电流通过时， 铝原子受到运动的导电电子作用，沿晶粒边界向高电位端迁 移，结果金属化层高电位处出现金属原子堆积，形成小丘、 晶须，导致相邻金属走线间短路。低电位处出现金属原子的 短缺而形成空洞导致开路。 (b)铝硅互溶问题：硅在铝中有一定的固溶度，随着接触孔 处硅向铝中溶解，在硅中形成深腐蚀抗。铝也向硅内部渗透， 某些位置渗透较深。当渗入硅中的铝到达结面时引起PN结漏 电增加甚至短路。对浅PN结，此问题比较严重。 因此在大规模集成电路中要采用其他金属化材料。
由于需要减小信号的传播延迟，对于未来集成电路的性能来说微芯 片的互连技术已经成为关键的挑战。由于超大规模集成电路组件的 密度增加，互连电阻和寄生电容也会随之增加，因此降低了信号的 传播速度。
在芯片制造技术中，目前刚刚起步的明显变化是减小金属互连的电 阻率ρ，这种减小通过用铜取代铝作为基本的导电金属而实现。对深 亚微米的线宽，需要低k层间介质（ILD）。电容导致信号延迟，降 低介电常数将减少寄生电容。
传统上认为，在芯片上淀积金属薄膜的过程是物理过程，另一方面 淀积绝缘和半导体层的过程涉及CVD化学反应过程。随着新的IC金 属化技术引入，这种物理和化学过程的分界线变得越来越模糊。 1
7.1 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 电金属薄膜的过程。这一过程与介质的淀积紧密相连， 金属线在IC电路中传导信号，介质层则保证信号不受邻 近金属线的影响。金属和介质都是薄膜处理工艺，在某 些情况下金属和介质是由同种设备淀积的。
8
7.2 金属类型
但用铝作为金属化材料存在下述问题。 (a)电迁移现象：金属化铝是一种多晶结构，有电流通过时， 铝原子受到运动的导电电子作用，沿晶粒边界向高电位端迁 移，结果金属化层高电位处出现金属原子堆积，形成小丘、 晶须，导致相邻金属走线间短路。低电位处出现金属原子的 短缺而形成空洞导致开路。 (b)铝硅互溶问题：硅在铝中有一定的固溶度，随着接触孔 处硅向铝中溶解，在硅中形成深腐蚀抗。铝也向硅内部渗透， 某些位置渗透较深。当渗入硅中的铝到达结面时引起PN结漏 电增加甚至短路。对浅PN结，此问题比较严重。 因此在大规模集成电路中要采用其他金属化材料。
由于需要减小信号的传播延迟，对于未来集成电路的性能来说微芯 片的互连技术已经成为关键的挑战。由于超大规模集成电路组件的 密度增加，互连电阻和寄生电容也会随之增加，因此降低了信号的 传播速度。
在芯片制造技术中，目前刚刚起步的明显变化是减小金属互连的电 阻率ρ，这种减小通过用铜取代铝作为基本的导电金属而实现。对深 亚微米的线宽，需要低k层间介质（ILD）。电容导致信号延迟，降 低介电常数将减少寄生电容。
金属化与平坦化
自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。
34
Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及 源漏注入以后，以溅射的方式在POLY上淀积一层金 属层（一般为 Ti,Co或Ni），然后进行第一次快速 升温退火处理（RTA），使多晶硅表面和淀积的金属 发生反应，形成金属硅化物。
根据退火温度设定，使得其他绝缘层（ Nitride 或 Oxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望 的硅化物，因此是一种自对准的过程(does not require lithographic patterning processes)。
然后再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O2/H20或 H2SO4/H2O2的混合液）清除不需要的金属淀积层，留下 栅极及其他需要做硅化物的salicide。
35
自对准硅化物工艺 Salicide
Self-aligned silicide (“salicide”) process
多晶硅 有源硅区
触电阻很小；
肖特基接触：相当于理想的二极管；
10
11
形成欧姆接触的方式
低势垒欧姆接触 一般金属Al和/pP-S型0i.势4半e垒V导高度体 的接触势垒较低
高复合欧姆接触半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质
在半导体表面耗尽区中起复合中心作用
高掺杂欧姆接触
Al/N-Si势垒高度
0.7eV
需高掺杂欧姆接触
侧墙氧化层 场氧化层
Silicon substrate
1. 有源硅区
钛硅反应区
2. 钛淀积
T成iSi2 形
3. 快速热退火处理
4. 去除钛
36
The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin metal film with silicon in the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes.
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Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及 源漏注入以后，以溅射的方式在POLY上淀积一层金 属层（一般为 Ti,Co或Ni），然后进行第一次快速 升温退火处理（RTA），使多晶硅表面和淀积的金属 发生反应，形成金属硅化物。
根据退火温度设定，使得其他绝缘层（ Nitride 或 Oxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望 的硅化物，因此是一种自对准的过程(does not require lithographic patterning processes)。
然后再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O2/H20或 H2SO4/H2O2的混合液）清除不需要的金属淀积层，留下 栅极及其他需要做硅化物的salicide。
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自对准硅化物工艺 Salicide
Self-aligned silicide (“salicide”) process
多晶硅 有源硅区
触电阻很小；
肖特基接触：相当于理想的二极管；
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形成欧姆接触的方式
低势垒欧姆接触 一般金属Al和/pP-S型0i.势4半e垒V导高度体 的接触势垒较低
高复合欧姆接触半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质
在半导体表面耗尽区中起复合中心作用
高掺杂欧姆接触
Al/N-Si势垒高度
0.7eV
需高掺杂欧姆接触
侧墙氧化层 场氧化层
Silicon substrate
1. 有源硅区
钛硅反应区
2. 钛淀积
T成iSi2 形
3. 快速热退火处理
4. 去除钛
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The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin metal film with silicon in the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes.
金属和半导体形成低阻欧姆接触
13 – 16 5 10
21
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。
当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会 被显著的改善。
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：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 光刻刻蚀成图形，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。
6
对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连
(2) 金属和半导体•形H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
1. 电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小 可以减少信号的延迟，增加芯片速度。
18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
19
合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低 阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
• 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
17
解决方法： 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜
21
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。
当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会 被显著的改善。
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：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 光刻刻蚀成图形，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。
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对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连
(2) 金属和半导体•形H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
1. 电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小 可以减少信号的延迟，增加芯片速度。
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3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
19
合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低 阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
• 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
17
解决方法： 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜
第八章金属化与平坦化
第八章 金属化与平坦化
1
金属化ห้องสมุดไป่ตู้
集成电路的各个组件制作完成后，需要按照设计要 求将这些组件进行相应的连接以形成一个完整的电路 系统，并提供与外电路相连接的接点，完成此项任务 的就是金属布线。
金属化就是在组件制作完成的器件表面淀积金属薄 膜，金属线在IC中传导信号，介质层则保证信号不受 临近金属线的影响。
对于多层电极系统，由于铜具有更低的电阻率，已在 逐步取代铝成为主要的互连金属材料。
16
金属填充塞
多层金属布线使得金属化系统中出现很多通孔，为了 保证两层金属间形成电通路，这些通孔需要用金属塞来 填充。用于制作栓塞的材料有很多种，但实用性较高， 且已被集成电路制造广泛应用的是钨塞和铝塞。
17
18
化学机械平坦化
2
金属化工艺的作用
3
金属铝互连
4
金属铝互连
5
金属铝互连
6
金属铝互连系统中的失效与改进
7
8
9
10
金属铜互连
11
金属铜互连
12
金属铜互连
13
铜大马士革
14
15
铝互连&铜互连
最早用于集成电路制造的金属就是铝，室温下，铝的 电阻率比铜、金、银的电阻率稍高，但是由于铜和银比较 容易腐蚀，在硅和二氧化硅中的扩散率太高，这些都不利 于它们用于集成电路的制造；另外，金和银的成本比铝高， 而且与二氧化硅的粘附性不好，所以，也不常用。铝则能 很容易的淀积在wafer上，而且刻蚀时分辨率较高，所以， 铝作为首选金属用于金属化。
24
旋涂膜层平坦化
25
化学机械平坦化（CMP）
传统的平坦化方法都只是局部化的平坦，如果是整 个平面的介电层平坦则通常采用化学机械抛光法来完成。
1
金属化ห้องสมุดไป่ตู้
集成电路的各个组件制作完成后，需要按照设计要 求将这些组件进行相应的连接以形成一个完整的电路 系统，并提供与外电路相连接的接点，完成此项任务 的就是金属布线。
金属化就是在组件制作完成的器件表面淀积金属薄 膜，金属线在IC中传导信号，介质层则保证信号不受 临近金属线的影响。
对于多层电极系统，由于铜具有更低的电阻率，已在 逐步取代铝成为主要的互连金属材料。
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金属填充塞
多层金属布线使得金属化系统中出现很多通孔，为了 保证两层金属间形成电通路，这些通孔需要用金属塞来 填充。用于制作栓塞的材料有很多种，但实用性较高， 且已被集成电路制造广泛应用的是钨塞和铝塞。
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化学机械平坦化
2
金属化工艺的作用
3
金属铝互连
4
金属铝互连
5
金属铝互连
6
金属铝互连系统中的失效与改进
7
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金属铜互连
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金属铜互连
12
金属铜互连
13
铜大马士革
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铝互连&铜互连
最早用于集成电路制造的金属就是铝，室温下，铝的 电阻率比铜、金、银的电阻率稍高，但是由于铜和银比较 容易腐蚀，在硅和二氧化硅中的扩散率太高，这些都不利 于它们用于集成电路的制造；另外，金和银的成本比铝高， 而且与二氧化硅的粘附性不好，所以，也不常用。铝则能 很容易的淀积在wafer上，而且刻蚀时分辨率较高，所以， 铝作为首选金属用于金属化。
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旋涂膜层平坦化
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化学机械平坦化（CMP）
传统的平坦化方法都只是局部化的平坦，如果是整 个平面的介电层平坦则通常采用化学机械抛光法来完成。
第18章 化学机械平坦化资料
第十六章 化学机械平坦化
建立器件结构和多层内连线会很自 然的在层之间形成台阶，出现不平整的 硅片表面。层数增加时，硅片的表面起 伏将更加显著，可以看到一个单层金属 IC，用以说明硅片的表面起伏。
单层金属IC的表面起伏剖面
顶层
Poly n+ 金属化前氧化层 侧墙氧化层 栅氧化层
氮化硅
垫氧 ILD
n+
场氧化层
氧化硅
Metal
氧化硅 Poly Metal
p+
p+
p– 外延层
n-阱 Metal
p+ 硅衬底
多层金属化结构
非平坦化的IC剖面
平坦化的IC剖面
被平坦化的硅片拥有平滑的表面，填 充低的部分，或去掉高的部分是使硅片表 面平坦化的两种方法。在硅片上，可以进 行局部平坦化，也可以对包含所有芯片的 整个硅片表面进行全局平坦化。
旋涂的膜层材料是有机或无机的材料，包 括光刻胶、旋涂玻璃（SOG）和多种树脂。 旋涂后的烘烤蒸发掉溶剂，留下溶质填充低 处的间隙。
淀积了ILD-2氧化层的旋涂膜层
SOG
1)
ILD-1
烘烤后的SOG
2)IΒιβλιοθήκη D-1ILD-2淀积3)
ILD-1
16.2 化学机械平坦化
化学机械平坦化（CMP）是一种表面全局 平坦化技术，它通过硅片和一个抛光头之间的 相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头 之间有磨料，并同时施加压力。CMP设备也常 称为抛光机。
16.1 传统的平坦化技术
16.1.1 反刻
由表面图形形成的表面起伏可以用一层厚 的介质或其它材料作为平坦化的牺牲层来进 行平坦化，这一层牺牲层材料填充空洞和表 面的低处。然后用干法刻蚀技术刻蚀这一层 牺牲层，通过用比低处图形快的刻蚀速率刻 蚀掉高处的图形来使表面平坦化。这一工艺 称为反刻平坦化。
建立器件结构和多层内连线会很自 然的在层之间形成台阶，出现不平整的 硅片表面。层数增加时，硅片的表面起 伏将更加显著，可以看到一个单层金属 IC，用以说明硅片的表面起伏。
单层金属IC的表面起伏剖面
顶层
Poly n+ 金属化前氧化层 侧墙氧化层 栅氧化层
氮化硅
垫氧 ILD
n+
场氧化层
氧化硅
Metal
氧化硅 Poly Metal
p+
p+
p– 外延层
n-阱 Metal
p+ 硅衬底
多层金属化结构
非平坦化的IC剖面
平坦化的IC剖面
被平坦化的硅片拥有平滑的表面，填 充低的部分，或去掉高的部分是使硅片表 面平坦化的两种方法。在硅片上，可以进 行局部平坦化，也可以对包含所有芯片的 整个硅片表面进行全局平坦化。
旋涂的膜层材料是有机或无机的材料，包 括光刻胶、旋涂玻璃（SOG）和多种树脂。 旋涂后的烘烤蒸发掉溶剂，留下溶质填充低 处的间隙。
淀积了ILD-2氧化层的旋涂膜层
SOG
1)
ILD-1
烘烤后的SOG
2)IΒιβλιοθήκη D-1ILD-2淀积3)
ILD-1
16.2 化学机械平坦化
化学机械平坦化（CMP）是一种表面全局 平坦化技术，它通过硅片和一个抛光头之间的 相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头 之间有磨料，并同时施加压力。CMP设备也常 称为抛光机。
16.1 传统的平坦化技术
16.1.1 反刻
由表面图形形成的表面起伏可以用一层厚 的介质或其它材料作为平坦化的牺牲层来进 行平坦化，这一层牺牲层材料填充空洞和表 面的低处。然后用干法刻蚀技术刻蚀这一层 牺牲层，通过用比低处图形快的刻蚀速率刻 蚀掉高处的图形来使表面平坦化。这一工艺 称为反刻平坦化。
平坦化 工艺 步骤
平坦化工艺步骤
平坦化工艺是指通过一系列的步骤来使表面变得平坦或者光滑。
在不同的行业和领域中，平坦化工艺都有着不同的步骤和方法。
以
下是一般情况下平坦化工艺的一些常见步骤：
1. 表面准备，首先需要对待处理的表面进行清洁和准备工作，
确保表面没有杂质、油脂或其他污染物。
2. 磨削，磨削是平坦化工艺中常见的步骤，通过磨削工具和磨
削材料对表面进行磨削，去除表面的不平整部分，使其变得平坦。
3. 研磨，研磨是在磨削之后进行的步骤，通过研磨工具和研磨
材料对表面进行进一步的加工，使其更加光滑。
4. 化学处理，有时候需要使用化学方法对表面进行处理，例如
酸洗、电镀等，以达到平坦化的效果。
5. 检测和修正，在完成上述步骤之后，需要对表面进行检测，
确保其达到了平坦化的要求，如果有不平整或瑕疵需要进行修正。
总的来说，平坦化工艺的步骤可以根据具体的材料和要求而有所不同，但通常都包括表面准备、磨削、研磨、化学处理和最终的检测和修正。
这些步骤的目的是为了使表面变得平坦、光滑，并且符合特定的要求和标准。
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24
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。
22
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。
23
IC互连金属化引入铜的优点
1. 电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小 可以减少信号的延迟，增加芯片速度。 2. 功耗的减少：减小了电阻，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. 良好的抗电迁移性能：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％ to 30 %的潜力。
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109 500 – 525 2.65 1.678 8 60 13 – 16 5 10
21
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。 当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会 被显著的改善。 Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的连线金属
常用扩散阻挡层：TiN, TiW
较好的方法是采用阻挡层, Ti 或 TiSi2有好的接触和黏附 性,TiN 可作为阻挡层
16
2.铝的电迁移
• 当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离 子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移， 这种现象称为金属电迁移 • 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
4. 抗电迁移
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。
28
Silicide Polycide Salicide
这三个名词对应的应用应该是一样的，都是利用硅 化物来降低连接电阻。但生成的工艺是不一样的
29
硅化物 Silicide
Silicide就是金属硅化物，是由金属和 硅经过物理－化学反应形成的一种化合态， 其导电特性介于金属和硅之间 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。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。
13
铝互连
Top Nitride
ILD-6
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
Metal-4 Via-4
ILD-5 ILD-4
Metal-3
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
7
为了将半导体器件与外部有效地联系起来，
必须首先在半导体和互连线之间制作接触。
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
8
金属层和硅衬底形成什么接触？
9
金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触， 也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂 浓度及金－半接触的势垒高度
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）。
17
解决方法： 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜2～ 4％）合金。 铜原子在多晶状Al的晶粒边界处分凝，阻止 Al原子沿晶粒边界的运动。 优化版图设计，降低电流密度。
18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
35
自对准硅化物工艺
Salicide
Self-aligned silicide (“salicide”) process
多晶硅 有源硅区 侧墙氧化层 场氧化层
Silicon substrate
1. 有源硅区
钛硅反应区
2. 钛淀积 TiSi2 形 成
3. 快速热退火处理
4. 去除钛
36
The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin metal film with silicon in the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes. The term "salicide" is a compaction of the phrase self-aligned silicide. The description "self-aligned" suggests that the contact formation does not require lithographic patterning processes, as opposed to a non-aligned technology such as polycide. The term salicide is also used to refer to the metal silicide formed by the contact formation process, such as "titanium salicide", although this usage is inconsistent with accepted naming conventions in chemistry.
25
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。可淀积一层阻挡层金属， 作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚 度对 0.25µm 工艺来说为 100nm ；对 0.35µm 工艺来说为 400～600nm。
阻挡层金属 铜
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。
Al/p-Si势垒高度 一般金属和P型半导体 0.4eV
的接触势垒较低
半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质 高复合欧姆接触
在半导体表面耗尽区中起复合中心作用
高掺杂欧姆接触
Al/N-Si势垒高度 0.7eV 需高掺杂欧姆接触
12
常用的金属化材料
Leabharlann 1.Al 是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。 电阻率较低（ 20℃时具有2.65µΩ -cm ）；工艺 简单； 易形成低阻欧姆接触。
14
金属和硅接触的问题--1.尖峰现象"spiking" problems
硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下 空洞 ,Al填充到空洞,引起短路
15
解决spiking问题的方法
一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性 另一种方法是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )
自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。
34
Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及 源漏注入以后，以溅射的方式在POLY上淀积一层金 属层（一般为 Ti,Co或Ni），然后进行第一次快速 升温退火处理（RTA），使多晶硅表面和淀积的金属 发生反应，形成金属硅化物。 根据退火温度设定，使得其他绝缘层（ Nitride 或 Oxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望 的硅化物，因此是一种自对准的过程(does not require lithographic patterning processes)。 然后再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O2/H20或 H2SO4/H2O2的混合液）清除不需要的金属淀积层，留下 栅极及其他需要做硅化物的salicide。
26
钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽 （Ta） 、氮化钽和钽化硅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。
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。
22
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。
23
IC互连金属化引入铜的优点
1. 电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小 可以减少信号的延迟，增加芯片速度。 2. 功耗的减少：减小了电阻，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. 良好的抗电迁移性能：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％ to 30 %的潜力。
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109 500 – 525 2.65 1.678 8 60 13 – 16 5 10
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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。 当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会 被显著的改善。 Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的连线金属
常用扩散阻挡层：TiN, TiW
较好的方法是采用阻挡层, Ti 或 TiSi2有好的接触和黏附 性,TiN 可作为阻挡层
16
2.铝的电迁移
• 当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离 子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移， 这种现象称为金属电迁移 • 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
4. 抗电迁移
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。
28
Silicide Polycide Salicide
这三个名词对应的应用应该是一样的，都是利用硅 化物来降低连接电阻。但生成的工艺是不一样的
29
硅化物 Silicide
Silicide就是金属硅化物，是由金属和 硅经过物理－化学反应形成的一种化合态， 其导电特性介于金属和硅之间 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。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。
13
铝互连
Top Nitride
ILD-6
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
Metal-4 Via-4
ILD-5 ILD-4
Metal-3
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
7
为了将半导体器件与外部有效地联系起来，
必须首先在半导体和互连线之间制作接触。
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
8
金属层和硅衬底形成什么接触？
9
金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触， 也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂 浓度及金－半接触的势垒高度
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）。
17
解决方法： 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜2～ 4％）合金。 铜原子在多晶状Al的晶粒边界处分凝，阻止 Al原子沿晶粒边界的运动。 优化版图设计，降低电流密度。
18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
35
自对准硅化物工艺
Salicide
Self-aligned silicide (“salicide”) process
多晶硅 有源硅区 侧墙氧化层 场氧化层
Silicon substrate
1. 有源硅区
钛硅反应区
2. 钛淀积 TiSi2 形 成
3. 快速热退火处理
4. 去除钛
36
The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin metal film with silicon in the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes. The term "salicide" is a compaction of the phrase self-aligned silicide. The description "self-aligned" suggests that the contact formation does not require lithographic patterning processes, as opposed to a non-aligned technology such as polycide. The term salicide is also used to refer to the metal silicide formed by the contact formation process, such as "titanium salicide", although this usage is inconsistent with accepted naming conventions in chemistry.
25
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。可淀积一层阻挡层金属， 作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚 度对 0.25µm 工艺来说为 100nm ；对 0.35µm 工艺来说为 400～600nm。
阻挡层金属 铜
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。
Al/p-Si势垒高度 一般金属和P型半导体 0.4eV
的接触势垒较低
半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质 高复合欧姆接触
在半导体表面耗尽区中起复合中心作用
高掺杂欧姆接触
Al/N-Si势垒高度 0.7eV 需高掺杂欧姆接触
12
常用的金属化材料
Leabharlann 1.Al 是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。 电阻率较低（ 20℃时具有2.65µΩ -cm ）；工艺 简单； 易形成低阻欧姆接触。
14
金属和硅接触的问题--1.尖峰现象"spiking" problems
硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下 空洞 ,Al填充到空洞,引起短路
15
解决spiking问题的方法
一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性 另一种方法是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )
自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。
34
Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及 源漏注入以后，以溅射的方式在POLY上淀积一层金 属层（一般为 Ti,Co或Ni），然后进行第一次快速 升温退火处理（RTA），使多晶硅表面和淀积的金属 发生反应，形成金属硅化物。 根据退火温度设定，使得其他绝缘层（ Nitride 或 Oxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望 的硅化物，因此是一种自对准的过程(does not require lithographic patterning processes)。 然后再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O2/H20或 H2SO4/H2O2的混合液）清除不需要的金属淀积层，留下 栅极及其他需要做硅化物的salicide。
26
钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽 （Ta） 、氮化钽和钽化硅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。