第九章金属化作业
第九章金属化作业
2、哪种金属已经成为传统的互连金属线？什么是它的取代物？《半导体制造技术》p278第二段
3、铝互连复合金属膜的组成
铝互连复合金属膜的组成：Ti/TiN；Al/AlCu；TiN。
Ti/TiN：接触层金属和阻挡层金属。
Al/AlCu：导电层；
TiN：阻挡层金属和抗反射涂层。
4、什么是欧姆接触？它的优点是什么？《半导体制造技术》p281第四段
优点是接触电阻小。
5、为什么选择铝作为芯片的互连金属？《半导体制造技术》p281第二段
6、讨论电迁徙是怎样影响稳定性的。
《半导体制造技术》p282第三段
8、用铜作为半导体金属所面临的三大主要挑战是什么？《半导体制
造技术》p284
11、什么是电迁徙？如何防止Al电迁徙产生？
在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就是电迁徙。
本质是导体原子与通过该导体的电流相互作用，对于铝就是铝原子沿着晶粒间界的扩散。
改进电迁徙的方法一：采用梳状电极，组成多晶硅的晶粒从下而上贯穿引线截面，晶粒间界垂直电流方向，所以晶粒间界的扩散不起作用，铝原子在铝薄膜中的扩散系数和单晶体相似，从而可使抗电迁徙能力提高二个数量级。
改进电迁徙的方法二：采用铝－铜合金和铝－硅－铜合金，Al-Si(1%~2%)-Cu(4%)，杂质在铝晶粒晶界分凝，可以降低铝原子在铝晶界的扩散系数，从而可使抗电迁徙能力提高一个数量级。
改进电迁徙的方法三：采用三层夹心结构，可以在两次铝之间增加大约50nm厚的过度金属层。
这三层金属通过400度退火1小时后，在两层铝之间形成金属化合物，可以防止空洞穿越整个金属引线，也可以降低铝在晶粒间界的扩散系数，从而可使抗电迁徙能力提高二到三个数量级。
12、什么叫做polycide和Salicide结构及工艺？他们的优点是什么？如何实现？
答：Polycide一般是由silicide和polysi组成的多晶硅化物。
优点在于：低的电阻，热稳定性好，好的化学稳定性，能与硅形成均匀一致的界面。
实现：
(1).多晶硅的沉积和掺杂，PVD或者CVD沉积。
(2).金属硅化物沉积，PVD或者CVD沉积。
(3).热退火。
(4).栅掩模光刻
(5).RIE刻蚀
(6). S/D离子注入
Salicide（Self Aligned Silicide）是自对准硅化物的简称。
优点在于：1.自对准。
2.s/d区寄生电阻大大减少3.栅层互联电阻减少，很好的界面，适合应用于短沟道器件。
实现过程：
(1).自对准多晶硅生成，。
(2).绝缘介质沉积，RIE刻蚀形成侧墙。
(3).S/D区形成
(4).磁控溅镀一层金属在整个晶片的表面
(5).低温快速热退火，使淀积的金属膜与源漏极的硅和栅极的多晶硅反应，而形成金属硅化物
(6). 未参加反应的金属用湿法刻蚀加以去除。
(7).高温快速热退火，形成高电导的金属硅化区。
第09章-刻蚀工艺
微观负载效应
• 微观负载效应
– 对于接触窗和金属层间接触孔刻 蚀，较小的窗孔刻蚀速率比较大 窗孔慢 – 由于光刻胶溅镀沉积到侧壁上， 图形隔离区域的刻蚀轮廓比密集 区域宽
微观负载效应刻蚀轮廓
14
过刻蚀效应
主刻蚀和过刻蚀轮廓
过刻蚀中，被刻蚀薄膜和衬底材料之间的选择性要足够高，避免损失过多衬底材料
15
CF4, CHF3 CF4, CHF3 SF6
4835 6156 2535 7037
半导体制造技术导论（第二版）
第九章
刻蚀工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介
• 刻蚀工艺基础
• 湿法刻蚀工艺 • 干法刻蚀工艺 • 等离子体刻蚀工艺
• 刻蚀工艺制程趋势
• 刻蚀工艺发展趋势
2
简
介
先进的集成电路工艺流程
先进的集成电路工艺流程
4
刻蚀工艺简介
• 刻蚀工艺
– 移除晶圆表面材料 – 图形化刻蚀：去除指定区域的材料，将图形转移到衬底薄膜上 – 整面全区刻蚀：去除整个表面薄膜达到所需工艺要求
34
离子辅助刻蚀实验
离子辅助刻蚀实验及结果
XeF2：纯化学刻蚀；Ar+：纯物理刻蚀
35
刻蚀工艺的比较
纯化学刻蚀 应用 刻蚀速率 湿法刻蚀，剥除， 光刻胶刻蚀 可以从高到低
反应式离子刻蚀 等离子体图形化刻蚀 高，可控
纯物理刻蚀 氩轰击 低
选择性
刻蚀轮廓 工艺终点
非常好
等向性 计时或目测
可以接受，可控
������ =
������1 − ������
2
+ ������2 − ������
金属化
蒸发
• 蒸发是将待蒸发的材料放置进坩埚，在真空系统中加热并 使之蒸发，淀积在硅片表面。最典型的方法是利用电子束 加热放置在坩埚中的金属，在蒸发器中通过保持真空环境， 蒸气分子的平均自由程增加，并且在真空腔里以直线形式 运动，直到它撞到表面凝结形成薄膜。 • 蒸发的最大缺点是不能产生均匀的台阶覆盖，逐渐被拥有 很好台阶覆盖的溅射所取代。 • 另一缺点是对淀积合金的限制，为了淀积由多材料组成的 合金，蒸发器需要有多个坩埚，这是因为不同材料的蒸气 压是不同的
阻挡层金属
• 阻挡层金属是淀积在硅和金属塞之间的一层金属。可以阻 止上下层材料互相混合，消除浅结材料扩散或结尖刺的问 题，提高欧姆接触可靠性。常规的阻挡层金属有钨，钛， 钼，铂，钽。
可接受的阻挡层金属的基本特性
• • • • • • 1、很好的阻挡扩散特性。 2、高电导率具有很低的欧姆接触电阻。 3、在半导体和金属之间很好的附着。 4、抗电迁移。 5、在很薄并且高温下具有很好的稳定性。 6、抗侵蚀和氧化。
铝互连
欧姆接触
• 概念：金属和半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半 导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活 动区(Active region)而不在接触面。
• 在改进欧姆接触早期工作遇到的困难是：在加热 过程中，铝和硅之间出现了不希望出现的反应， 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”。同时硅向铝中扩散，在硅中 留下了空洞，当纯铝和硅界面被加热时结尖刺发 生，导致结短路，
金属填充塞
• 多层金属化生产了对数以十亿计的通孔用金属填充塞的需 要，以便在两层金属之间形成电通路，接触填充塞也被用 与连接硅片中硅器件和第一层金属化，目前被用于填充的 最普遍的金属是钨，钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力， 钨可以抗电迁移引起的失效，因此也被用于做阻挡层以禁 止硅和第一层金属之间的扩散反应，钨是难熔材料，熔点 3417°。
2025版新教材高考化学全程一轮总复习课时作业9金属材料金属矿物的开发和利用
课时作业9 金属材料金属矿物的开发和利用一、选择题（每小题只有1个选项符合题意）1．《五金·铁》中记载：“若造熟铁，则生铁流出时，相连数尺内，低下数寸，筑一方塘，短墙抵之。
其铁流入塘内，数人执柳木排立墙上……众人柳棍疾搅，即时炒成熟铁。
”以下说法不正确的是（）A．金属冶炼方法由金属活动性确定B．生铁比熟铁质地更硬，延展性稍差C．炒铁是为了提高铁水中的碳含量D.该法与近代往生铁水中吹空气炼钢异曲同工2．下列有关物质的描述及其应用均正确的是（）A.Al、Al2O3、Al（OH）3、NaAlO2均能和NaOH溶液发生反应B．Na2O2中含有O2，所以过氧化钠可为潜水艇舱供应氧气C．FeCl3具有氧化性，用FeCl3溶液刻蚀印刷铜电路板D．Na、Al、Cu可以分别用电解冶炼法、热还原法和热分解法得到3．试验探究Cu及其化合物的性质，操作正确且能达到目的的是（）A．将铜粉和硫粉混合匀称并加热以制取CuSB．向Cu与过量浓硫酸反应后的试管中加水以视察CuSO4溶液的颜色C．向CuSO4溶液中加入适量的NaOH，过滤洗涤并收集沉淀充分灼烧以制取CuOD．在淀粉溶液中加入适量稀硫酸微热水解，再加入少量新制Cu（OH）2悬浊液并加热，产生红色沉淀4．工业上用铝土矿（主要成分为Al2O3，含Fe2O3杂质）为原料冶炼铝的工艺流程如下：下列叙述正确的是（）A.按上述流程，试剂X可以是氢氧化钠溶液，也可以是盐酸B．反应①过滤后所得沉淀为氧化铁C．图中全部的转化反应都不是氧化还原反应D．反应②的离子方程式为2AlO－2＋CO2＋3H2O===2Al（OH）3↓＋CO2－35．工业上，常用铜阳极泥（主要成分是Cu2Te，含少量的Ag、Au）回收碲，其工艺流程如下（已知TeO2微溶于水，易与浓强碱、浓强酸反应）：下列叙述错误的是（）A ．合理处理阳极泥有利于爱护环境和资源再利用B ．操作1、2、3均为过滤C ．可由滤渣2提取金属Ag 、AuD ．上述流程中用浓硝酸代替浓盐酸可提高碲的回收率6．镓（Ga ）与铝同主族，曾被称为“类铝”，其氧化物和氢氧化物均为两性化合物。
硅集成电路工艺基础9
第九章金属化与多层互连金属及金属性材料在集成电路技术中的应用被称为金属化。
按其在集成电路中的功能划分，金属材料可分为三大类：¾MOSFET栅电极材料：早期nMOS集成电路工艺中使用较多的是铝栅，目前CMOS集成电路工艺技术中最常用的是多晶硅栅。
¾互连材料：将芯片内的各独立元器件连接成具有一定功能的电路模块。
铝是广泛使用的互连金属材料，目前在ULSI中，铜互连金属材料得到了越来越广泛的运用。
¾接触材料：直接与半导体接触，并提供与外部相连的连接点。
铝是一种常用的接触材料，但目前应用较广泛的接触材料是硅化)等。
物，如铂硅(PtSi)和钴硅(CoSi2集成电路中使用的金属材料，除了常用的金属如Al，Cu，Pt，W 等以外，还包括重掺杂多晶硅、金属硅化物、金属合金等金属性材料。
9.1、集成电路对金属化材料特性的要求¾与n+，p+硅或多晶硅能够形成欧姆接触，接触电阻小；¾长时期在较高电流密度负荷下，抗电迁移性能要好；¾与绝缘体（如SiO）有良好的附着性；2¾耐腐蚀；¾易于淀积和刻蚀；¾易于键合，而且键合点能经受长期工作；¾多层互连要求层与层之间绝缘性好，不互相渗透和扩散。
9.1.1、晶格结构和外延生长特性的要求金属材料特性与其晶格结构有关，集成电路中金属薄膜：¾外延生长¾单晶膜具有最理想的特性。
采用外延生长可以消除缺陷，晶体结构好，提高金属薄膜的性能，降低电阻率和电迁移率，得到良好的金属/半导体接触或金属/绝缘体接触界面。
9.1.2、电学特性金属材料在集成电路中应用时，须考虑的电学性能主要包括电阻率、电阻率的温度系数(TCR)、功函数、与半导体接触的肖特基势垒高度。
对于接触材料和栅电极材料，其功函数、与半导体材料的肖特基势垒高度和接触电阻是非常重要的参数。
9.1.3，通过优化生长过程可以减小。
第九章金属化与多层连接1
9.2.4 Al/Si接触的改进
1 Al－Si合金金属化引线
采用铝硅合金代替纯铝作为接触和互连材料， 防止尖楔现象。
问题：出现分凝现象。即，在较高合金退火温 度时熔解在铝中的硅，在冷却过程中又从铝中析出。 该现象产生一个个硅单晶的结瘤。影响器件的 可靠性，有可能导致互连线短路。
2 铝－掺杂多晶硅双层金属化结构
金属势垒层材料(阻挡层金属)选择要求：保形的通 孔和沟槽淀积性能；好的势垒性能；低的通孔电阻；与 铜有好的黏附性；与铜的CMP工艺兼容。如：WN、TiN
9.3.5 金属Cu的淀积技术
采用大马士革（镶嵌）工艺进行Cu布线。 过程与上述相似。
9.3.6 低K介质和Cu互连集成技术中的可靠性问题
可靠性问题涉及：电迁移、应力迁移、热循 环稳定性、介电应力、热导率。
2 中值失效时间
表征电迁移现象的物理量是互连引线的中值失效 时间MTF(media time to failure),即50％互连引线 失效时间，其值正比于引线截面积，反比于质量输 运率
3 改进电迁移的方法
1） 结构的影响和“竹状”结构的选择
MTF随着铝线宽度的减小和长度的增加而降
低。
“竹状”铝引线 结构，组成多晶 体的晶粒从下而 上贯穿引线截面， 晶粒间界垂直于 电流的方向，所 以晶粒间界的扩 散不起作用。
第九章 金属化与多层互连
9.1 引言
金属化：金属及金属材料在集成电路技术中的应用。
根据金属在集成电路中的功能划分，可以分为三类：
互连材料——将同一芯片的各个独立的元器件连接成蚀，好的抗电迁移 特性。
互连连线是金属化工艺的主要组成部分；
大部分使用铜铝合金；
R ( l ) /(wtm )
金属工艺学第九章课件.pptx
1)零件的加工精度高,尺寸一致性好 由于数控机床本身的精密度 高,特别是有的数控机床具有加工过程自动检测和误差补偿等功 能,因而能可靠地保证加工精度和尺寸的稳定性。
2)生产效率高。数控加工过程是一种自动加工过程,不需要工人直 接操作机床。加工中零件的装夹次数少。一次装夹可加工出很多 表面,可省去划线找正和检测等许多中间工序。加工复杂零件时, 效率可提高5~10倍,劳动强度也低。
3)特别适合加工形状复杂的轮廓表面。可加工如叶片、叶轮及成 形模具等具有复杂空间曲面的零件。
4)有利于实现计算机辅助制造。目前在机械制造业中,CAD/CAM 的应用日趋广泛,而数控机床及其加工技术正是计算机辅助制造 系统的基础。
5)对操作者(不含编程人员)技术水平的要求相对较低。
6)初始投资大,加工成本高。数控机床的价格一般比同规格的普通 机床高出许多,机床备件的价格也很高,加上零件加工进行编程、
图9-7 激光加工的工作原理示意图 1—激光器 2—光阑 3—反射镜 4—聚焦
镜 5—工件 6—工作台 7—电源
3.激光加工的特点及应用 1)不需要直接接触的加工工具,所以不存在工具损耗问题,适宜自 动化生产系统。
2)由于激光的功率密度高,几乎能加工所有的材料,如各种金属材 料、陶瓷、石英、金刚石及半导体等。
超声加工除用于工件的成形加工外还可以用于清洗、焊接和探伤 等。
四、激光加工
1.激光的特性
普通光源(如白炽灯、日光灯、氙灯、氪灯等)的发光是以自发辐 射为主。
1)强度高,红宝石脉冲激光器的亮度比高压脉冲氙灯高370亿倍,比 太阳表面的亮度也要高200多亿倍。
2)单色性好,激光的波长(或者频率)是某一确定的数值,或严格地讲 是波长的范围(谱线宽度)非常小。
金属学作业及答案
问答题氢对焊接质量的影响：主要是造成氢脆、白点、气孔、冷裂纹。
控制氢，以减轻氢对焊接质量的影响：1.限制焊接材料的含氢量，使用前烘干。
2.严格清理工件及焊丝，去除工件表面的锈、氧化皮、油污和吸附水分。
3.冶金处理（1）在药皮或焊剂中加入Sio2和CaF2去氢（2）适当增加焊接材料的氧化性（3）加碲、硒和稀土元素进行脱氢处理4.调整工艺参数和工艺过程5.脱氢处理。
熔渣可分为几类？1，氧化物型熔渣，TiO2-CaO-SiO2,渣系氧化性强。
2，盐-氧化物型熔渣，CaO-CaF2-SiO2,熔渣的氧化性较小。
3，盐型熔渣，CaF2-NaF，该类渣氧化性最小。
影响过度系数的因素：1，合金元素的物理化学性质。
2，合金元素的含量。
3，合金元素的粒度。
4，药皮或焊剂的成分。
5熔渣碱度。
6，药皮或焊剂的相对数量及焊接工艺。
摩擦对塑性成型过程的影响：在某些情况下，摩擦对塑性成形会起到有益的作用，可以利用摩擦阻力来控制金属的流动方向。
但在通常情况下，摩擦对塑性成形是十分有害的：1，由于工件在接触面上的质点受到摩擦阻力的作用而流动困难，从而导致工件塑性变形不均匀，产生附加应力，当附加拉应力的数值超过材料的强度极限时，可能会造成开裂，另外，还会造成变形物体形状的歪扭，形成残余应力。
2，为了塑性成形所需的能量和成形力，需用大吨位设备来完成塑性成形过程。
3，加剧模具的磨损，降低了模具的使用寿命。
4，使工件脱模困难，影响了制件的表面质量。
影响摩擦因数的主要因素：1,金属的种类和化学成分。
2，工、模具的表面状态。
3，接触面的单位压力。
4，变形温度。
影响缩松和缩孔的主要因素：1，化学成分。
2，孕育的影响。
3，铸型条件。
4，铸件模数。
5，铸型种类。
缩松和缩孔的防止方法：1，铁液的化学成分。
2，铸型条件。
3，铸造工艺（1）顺序凝固和同时凝固原则（2）合理的浇注工艺设计（3）加压补缩。
熔渣分子理论的要点：1，液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成。
金属化与多层互连
②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比 在晶体Al中大40倍。
③Al与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3
好处：降低Al/Si欧姆接触电阻；
改善Al与SiO2的粘附性。
9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象
图9.3 Al-Si接触引线工艺
T=500℃，t=30min.， A=16μm2，W=5μm， d=1μm，消耗Si层厚度
①在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽； ②CVD淀积一层薄的金属势垒层：防止Cu的扩散； ③溅射淀积Cu的籽晶层：电镀或化学镀Cu需要； ④沟槽和通孔淀积Cu：电镀或化学镀； ⑤400℃下退火； ⑥Cu的CMP。
铜金属化（Copper Metallization）
9.4 多晶硅及硅化物
多晶硅：CMOS多晶硅 栅、局域互连线；
RC常数：表征互连线延迟，即 RC l 。
t m t ox ρ-互连线电阻率，l-互连线长度，ε-介质层介电常数
①低ρ的互连线：Cu，ρ=1.72μΩcm； （Al，ρ=2.82μΩcm）
②低K （ε）的介质材料： ε<3.5
Cu互连工艺的关键
①Cu的淀积：不能采用传统的Al互连布线工艺。 （没有适合Cu的传统刻蚀工艺）
Z=0.35μm。 （相当于VLSI的结深） ∵Si非均匀消耗， ∴实际上，A*<<A，即
Z*>>Z，故 Al形成尖楔
尖楔现象
机理：Si在Al中的溶解度及快速 扩散，使Al像尖钉一样楔进Si衬 底；
深度：超过1μm； 特点： <111>衬底：横向扩展 <100> 衬底：纵向扩展 MOS器件突出。 改善：Al中加1wt％-4wt％的过
《金属》作业设计方案-2023-2024学年科学鄂教版2001
《金属》作业设计方案第一课时1. 选题背景本次作业设计是针对初中生物学科《金属》单元的学习内容，通过设计多样化的作业，帮助学生深入理解金属在我们日常生活中的应用和重要性。
2. 教学目的- 了解金属的定义和分类- 掌握金属的性质和特点- 了解金属的提纯和应用- 能够描述金属材料的特点和用途3. 教学内容本次作业设计主要涵盖以下内容：- 金属的基本性质- 金属的分类- 金属的提纯方法- 金属在日常生活中的应用4. 设计方案本作业设计主要包括以下几个环节：4.1 金属性质实验通过实验的方式，让学生亲自感受金属的一些基本性质，比如导电性、导热性等，并让他们观察不同金属在这些性质上的差异。
实验材料：各种金属丝、导热杯等实验步骤：让学生分组进行实验，记录实验数据，最后进行实验报告撰写。
4.2 金属分类讨论让学生在小组内讨论金属的分类标准，并结合生活实例进行分类讨论，加深对金属分类的理解。
讨论内容：金属元素的分类、金属合金的定义及分类等讨论形式：小组讨论、PPT展示4.3 金属提纯作业设计一份金属提纯的作业，让学生了解金属提纯的方法和过程，并进行简单的提纯实践。
作业内容：金属提纯方法介绍、提纯实验步骤设计作业形式：书面作业、小组合作实验4.4 金属应用调查要求学生进行金属在日常生活中的应用调查，了解金属在不同领域的应用情况，并结合调查结果展开讨论。
调查内容：金属在建筑、交通工具、日用品等领域的应用情况调查形式：口头调查、调查报告撰写5. 教学评价针对以上设计的作业，可以通过以下方式进行评价：- 实验报告评分：根据实验数据及实验报告的完整度和准确性进行评分- 讨论表现评价：评价学生在讨论中的表现和贡献- 作业质量评估：综合评价学生在作业中的表现和完成度6. 教学反思通过本次作业设计，学生可以更加深入地了解金属的相关知识，提高他们的学习兴趣和学习效果。
同时，通过设计多样化的作业形式，可以更好地调动学生的参与和学习积极性。
过渡金属1
CH3Mn(CO)5 + NaI
NaCp W(CO)6 - 3 CO
Na[CpW(CO)3] C2H5I
CpW(CO)3C2H5
5. 羰基化物负离子＋酰卤
－
金属酰基化
Fe CO CO
CH3COCl
hυ
Fe
O
CO
C
CO
CH3
Fe
CO
CH3
CO
许多金属酰基化物在加热或光化辐射下，会消去一分子的 CO，这一反应通常是可逆的
H3C PPh3 Pt II
CH2 - C2H4 CH3
I
CH2
I
III
Pt
PPh3 PPh3
PPh3
18VE
16VE
L I CO Ir
CH3Cl
L
CH3 II CO
T
Ir
L
CH3 III CO
Ir
Br
L trans - OA Br
L
Cl
L
Cl
Br
16VE
18VE
18VE
我们也能观察到18价电子的碱性金属配合物也有此类型 的反应：
的。我们可由金属－碳键的伸缩振动频率得到键的力常数。通 过比较，我们可以发现：MGE－ C键的强度并非相差很大。
M(CH3)4
Si
Ge Sn Pb Ti
力常数K(M－C)/Ncm-1 2.93 2.72 2.25 1.90 2.28
过渡金属有机化合物的热力学数据也同样说明这一趋势 ，因此现可假设TM σ C的键能在120 ~ 350KJ / mol之间。
类型I 八面体配合物的分子轨道图(经简化)仅有σ－键
I类：∆0（分裂能）最小，－t2g非键轨道能容纳0－6个电子 －eg*微弱反键；轨道能容纳0－4个电子