金属化
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晶圆制造薄膜沉积和金属化的关系
晶圆制造薄膜沉积和金属化的关系
晶圆制造中的薄膜沉积和金属化是相互关联的过程，它们在制造集成电路和半导体器件中起着至关重要的作用。
薄膜沉积是制造集成电路和半导体器件的关键过程之一，它是指在晶圆表面沉积一层薄薄的薄膜，这层薄膜可以是由各种材料组成的，如硅、氧化物、氮化物等。
薄膜沉积的方法有很多种，如物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等。
在制造集成电路和半导体器件的过程中，薄膜沉积通常需要在高真空度环境下进行，以确保所得到的薄膜具有高质量、高纯度、均匀性等特性。
金属化是指在已经沉积的薄膜上涂覆一层金属层，以便实现导电连接。
在制造集成电路和半导体器件中，金属化是必不可少的步骤之一，因为需要通过金属化将不同器件和电路元件连接起来。
金属化的方法也有很多种，如电镀、溅射等。
在金属化的过程中，需要确保所得到的金属层具有高导电性、高附着力、低电阻率等特性，以确保集成电路和半导体器件的性能和质量。
总的来说，薄膜沉积和金属化是相互关联的过程，它们在晶圆制造中起着至关重要的作用。
通过控制薄膜沉积和金属化的工艺参数和技术手段，可以制造出高质量、高性能的集成电路和半导体器件。
氧化铝陶瓷表面金属化工艺
氧化铝陶瓷表面金属化工艺
氧化铝陶瓷表面金属化是一种将金属材料镀覆在氧化铝陶瓷表
面的工艺。
该工艺通常应用于氧化铝陶瓷制品的表面处理，以提高其耐磨性、耐腐蚀性、导电性等性能。
金属化工艺可以选择多种金属材料，如铬、铜、银、金等，选择不同的金属材料可以改变氧化铝陶瓷的表面性质。
金属化工艺通常包括表面清洁、表面预处理、金属沉积和后处理等步骤。
表面清洁是准备金属化处理的重要步骤，可以使用溶液清洗、喷洒冲洗等方法。
表面预处理主要是为了提高金属沉积的附着力，通常采用化学处理或机械处理。
金属沉积可以采用电镀、化学镀、物理气相沉积等方法。
后处理通常包括清洗、干燥、烘烤等步骤，以确保金属化氧化铝陶瓷表面的质量和耐久性。
氧化铝陶瓷表面金属化工艺的应用非常广泛，如汽车、航空航天、电子、医疗等领域。
在汽车领域，金属化氧化铝陶瓷表面可以提高汽车发动机部件的耐磨性和耐腐蚀性。
在航空航天领域，金属化氧化铝陶瓷表面可以提高飞机零部件的耐高温性能。
在电子领域，金属化氧化铝陶瓷表面可以提高电子元器件的导电性能。
在医疗领域，金属化氧化铝陶瓷表面可以提高医疗器械的耐腐蚀性和生物相容性。
总之，氧化铝陶瓷表面金属化工艺是一种重要的表面处理技术，具有广泛的应用前景。
- 1 -。
金属化和多层互连
当金属与半导体之间的载流子输运以隧道 穿透为主时，Rc与半导体的掺杂浓度N及 金－半接触的势垒高度qVb 有下面的关系
qVb Rc exp N
qVb在数值上等于金属费米能级上的电子 进入半导体所需的能量。 结论：要获得低接触电阻的金－半接触， 必须减小金－半接触的势垒高度及提高半 导体的掺杂浓度
CoSi2
Ta 或 TaN Cu
W
W
PSG STI n+
+ + n+ p p USG P型井區 N型井區 P型磊晶層 P型晶圓
铜及低K介质
低K介质材料的沉积与刻蚀： 沉积工艺： （1）旋涂工艺：工艺简单，缺陷密度较低，产率高，易于 平整化，不使用危险气体 （2）CVD工艺：与IC工艺兼容性好 刻蚀要求： （1）工艺兼容性好 （2）对刻蚀停止层材料选择性高 （3）能形成垂直图形 （4）对Cu无刻蚀和腐蚀 （5）刻蚀的残留物易于清除
鋁
p+ N型矽
SiO2
鋁
p+
鋁
Al/Si接触的改善
合 金 化 ： 采 用 含 少 量 Si 的 Al-Si 合 金 （ 一 般 为 1% ） , 由于合金中已存在足量的 Si ，可以抑制底 层Si的扩散，防止“尖锲”现象。 在 300oC 以上，硅就以一定比例熔于铝中， 在此温度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成 一层很薄的 Al-Si 合金。 Al 通过 Al-Si 合金和接触 孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触
铜及低K介质
势垒层材料: 包括介质势垒层和导电势垒层 介质势垒层材料：ＳiＮ、ＳiＣ等新材料 主要功能:和介质层形成多层结构，防止介质 在工艺过程或环境中吸潮而影响性能。 导电势垒层：ＷＮ、ＴiＮ、Ｔa、ＴaＮ等 主要功能：防止Ｃu扩散、改善Ｃu的附着性、 作为ＣＭＰ和刻蚀停止层、作为保护层。
半导体制造工艺教案6-金属化
授课主要内容或板书设计课堂教学安排表6-1硅和各种金属材料的熔点和电阻率(20°C)表6-1硅和各种金属材料的熔点和电阻率(20°C) 6.2.2铝图6-2由电迁徙引起的铝互连线断路与短路现象6.2.4铜1.铜的优点1)更低的电阻率图6-3多层铜互连技术阻挡层金属图6- 4阻挡层金属在半导体和金属之间有很好的附着能力。
抗电迁徙能力强。
保证在很薄和高温下具有很好的稳定性。
抗侵蚀和抗氧化性好。
图6-5铜的阻挡层金属6.2.6硅化物硅化物的形成原理图6- 6硅化物在半导体器件中的用途图6-7自对准形成硅化物的步骤自对准方法形成硅化物依次用有机溶液、稀释过的氢氟酸和去离子水除去硅片自然氧化层和表面杂质(也可使用氩离子溅射刻蚀去除)，接着干燥硅片。
将硅片置于金属淀积腔内，在硅片上淀积一层厚度为20~35nm的金属钛薄膜。
对硅片进行第一次快速热退火，退火温度为625~675℃。
通过氢氧化铵和过氧化氢的湿法化学去掉所有未参与反应的钛。
图6-9蒸发系统中的加热方式真空系统抽真空。
基片加热。
图6-10溅射工艺的设备示意图溅射工艺适用于淀积合金，而且具有保持复杂合金原组分的能力。
能获得良好的台阶覆盖。
形成的薄膜与硅片表面的粘附性比蒸发工艺更好。
能够淀积难熔金属。
具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片表面沾污和本身的氧化图6-11射频溅射设备示意图直流溅射离化率低，射频溅射离化率有提高，但不显著。
多腔集成溅射装备典型溅射设备操作步骤溶液中水与HF缓冲液的体积比为90次。
图6-12铜电镀原理示意图图6-13沟槽中的三种添加剂和氯离子金属化流程传统金属化流程传统的互连金属是铝铜合金（99%铝，1%铜），并用SiO2介质隔离层。
以下是制备第二层金属的传统铝互连技术的工艺流程。
该过程中铝被淀积为薄膜，然后被刻蚀掉（减去）以形成电路。
图6-14第一层金属(金属1)的形成的形成图6-15形成通孔2图6-16形成钨塞图6-17淀积金属2 刻蚀出互连线图6-18刻蚀金属2图6-19层间介质淀积的线槽刻蚀图6-20刻蚀金属2的线槽金属层间通孔刻蚀图6-21刻蚀通孔淀积阻挡层金属图6-23淀积铜种子层铜电镀图6-24铜清除额外的铜图6-25化学机械抛光金属化质量控制反射率的测量金属膜厚的测量方块电阻估算导电膜厚度一种最实用的方法是测量方块电阻图6-26薄层导体示意图四探针法在半导体工厂中，广泛使用测量方块电阻的方法是四探针图6-27四探针仪示意图。
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。
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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。
半导体制造工艺第6章金属化
6.2 金属化类型
图6-3 多层铜互连技术
6.2 金属化类型
6.2.5 阻挡层金属 在上一节介绍到铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，如果
铜扩散进入二氧化硅或硅中将破坏器件的性能，这也是铜互连迟迟 未被采用的主要原因之一。事实上，很多金属与半导体接触并在高 温处理时都容易相互扩散，比如铝和硅、钨和硅相互扩散。为了防 止上下层材料相互扩散必须在它们中间引入阻挡层金属，如图6⁃ 4所 示。阻挡层金属必须足够厚，以达到阻挡扩散的目的，通常对于特 征尺寸为0．25μm的器件中阻挡层金属厚度约100nm，而对于 0．18μm工艺水平的器件其阻挡层金属厚度约20nm。 1)能很好地阻挡材料的扩散。 2)高电导率和很低的欧姆接触电阻。
6.3 金属淀积
6.3.2 蒸发 在半导体制造早期，蒸发法是最主要的金属淀积方法。然而为
了获得更好的台阶附覆盖能力以及更高的淀积速率，从20世纪70年 代的后期开始，在大多数硅片制造技术领域里溅射已经取代蒸发。 尽管如此，在一些对薄膜台阶附覆盖能力要求不太高的中小规模集 成电路制造中仍在使用蒸发法淀积金属薄膜。在封装工艺中，蒸发 也被用来在晶片的背面淀积金，以提高芯片和封装材料的粘合力。
图6-1 金属互连线与半导体区之间的接触
6.2 金属化类型
6.2.1 半导体制造中对金属材料的要求 金属化技术在中、小规模集成电路制造中并不是十分关键。但
是随着芯片集成度越来越高，金属化技术也越来越重要，甚至一度 成为制约集成电路发展的瓶颈。早期的铝互连技术已不能满足高性 能和超高集成度对金属材料的要求，直到铜互连技术被应用才解决 了这个问题。硅和各种金属材料的熔点和电阻率见表6⁃1。为了提高 IC性能，一种好的金属材料必须满足以下要求： 1)具有高的导电率和纯度。 2)与下层衬底(通常是二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性。 3)与半导体材料连接时接触电阻低。 4)能够淀积出均匀而且没有“空洞”的薄膜，易于填充通孔。 5)易于光刻和刻蚀，容易制备出精细图形。
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.
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。
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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；
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
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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.
芯片半导体制造工艺-第十三章 金属化
多层金属化
层间介质
亚0.25µm CMOS 剖面
金属互连结构
复合金属互连
具有钨塞的通孔互连结构
局部互连（钨） 初始金属接触 在硅中扩散 的有源区
Figure 12.1
• 层间介质（ILD）是绝缘材料，它分离了金属 之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被光刻成 图形、刻蚀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。在一个芯片上有许多通孔，据估计，一 个300mm2单层芯片上的通孔数达到一千亿个 。在一层ILD中制造通孔的工艺，在芯片上的 每一层都被重复。
金属化对不同金属连接有专门的术语名称。互 连（interconnect）意指由导电材料（铝、多晶硅或 铜）制成的连线将信号传输到芯片的不同部分。互 连也被用做芯片上器件和整个封装之间普通的金属 连接。接触（contact）意指硅芯片内的器件与第一 层金属之间在硅表面的连接。通孔（via）是穿过 各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层之间 形成电通路的开口。“填充薄膜”是指用金属薄膜 填充通孔，以便在两金属层之间形成电连接。
半导体制造技术
第十三章
金属化
概述
金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上 淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线和集成 电路的孔填充塞的过程。金属线被夹在两个绝缘 介质层中间形成电整体。高性能的微处理器用金 属线在一个芯片上连接几千万个器件，随着互连 复查性的相应增加，预计将来每个芯片上晶体管 的密度将达到10亿个。
1. 导电率: 要求高导电率，能够传道高电流密度。 2. 黏附性：能够黏附下层衬底，容易与外电路实现电连接 3. 淀积：易于淀积经相对低温处理后具有均匀的结构和组分 4. 刻印图形/平坦化：提供高分辨率的光刻图形 5. 可靠性：经受温度循环变化，相对柔软且有好的延展性 6. 抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，层与层以及下层器件区有最
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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°。
金属材料的要求
• 1、导电率：为维持电性能的完整性，必须具备高电导率， 能够传导高电流密度。 • 2、粘附性：能够粘附下层衬底，容易与外电路实现电连 接。 • 3、淀积：易于淀积并经相对的低温处理后具有均匀的结 构和组份。 • 4、可靠性：为了在处理和应用过程中经受住温度的变化， 金属应相对柔软且有较好的延展性。 • 5、抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，在层与层之间以及一下 的器件区具有最小的化学反应。 • 6、应力：很好的机械应力特性以便减少硅片的扭曲和材 料失败，比如断裂、空洞的形成和应力诱导腐蚀。
对铜的挑战
• 1、铜很快扩散进氧化硅和硅，这使人担心铜扩散 进硅的有源区而损坏器件，因为这将引起氧化硅 漏电。 • 2、应用常规的等离子刻蚀工艺，铜不容易形成图 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。 • 3、低温下空气中，铜很快被氧化，而且不会形成 保护层阻止铜进一步氧化。
铜阻挡层金属
• 铜在硅和二氧化硅中都有着很高的扩散率，这种高扩散率 讲破坏器件的性能，传统的阻挡层金属对铜来说阻挡作用 不够，铜需要一层薄膜阻挡层完全封装起来，这层金属薄 膜的作用就是加固附着并有效的阻止扩散，对铜来说这个 特殊的阻挡层金属要求如下： • 1、阻止铜扩散 • 2、低薄膜电阻 • 3、对介质材料和铜都有很好的附着 • 4、与化学机械平坦化过程兼容 • 5、具有很好的台阶覆盖
多层金属的钨填充塞
金属淀积系统
• 半导体制造业的传统金属化工艺分为物理气象淀积（PVD） 和化学气象淀积(CVD)。 • 在小规模和中规模半导体集成电路制造时代，蒸发是金属 化方法，由于蒸发台阶覆盖的特性差，然后被溅射取代， 随着集成电路的发展，铜电镀技术逐渐在各个领域得到发 展。 • 传统的淀积系统包括： • 蒸发 • 溅射 • 金属CVD • 铜电镀
• 缺点：电迁移 由于动量从传输电流的电子转移，引起铝原子在 导体中移动，在大电流密度的情形下，电子和铝 原子碰撞，引起原子逐渐移动，原子的移动导致 原子在导体负极损耗，这样在负极就产生了空洞， 引起连线减薄，就会引起断路，在导体的其它区 域，由于金属原子的堆积，金属原子堆起来形成 小丘，小丘在金属薄膜的表面鼓起，如果过多或 大量的小丘形成，比邻的连线或者两层之间的连 线就有可能短接在一起，引起短路。
铜电镀
• 铜电镀的基本原理是将具有导电表面的硅片沉浸在硫 酸铜溶液中，这个溶液中包含需要淀积的铜，硅片和种子 层作为带负电荷的平板或阴极电连接到外电源。固体铜块 沉浸在溶液中构成带正电的阳极，电流从硅片进入溶液到 达铜阴极，当电流流动时，发生如下反应：
2+
Cu
+ 2
e
−
→
Cu
0
电镀过程中，金属铜离子在硅片表面阴极被还原程金属 铜离子，同时在铜阳极发生氧化反应，以此平衡阴极电流， 维持了容易中的电中和。
金属CVD
• 由于化学气相淀积具有优良等角的台阶覆盖以及对高深宽 比接触和通孔无间隙的填充，在金属淀积方面得到了深入 研究。 • 钨CVD 钨薄膜淀积特性取决于硅片表面的化学反应， 通常是采用WF6 和H2之间的反应，产生钨和氟化氢气体。
• 在淀积薄膜钨过程中的第一步是淀积钛/氮化钛阻挡层， 在氮化钛淀积之前，以便它和下层材料反应，降低接触电 阻，氮化钛作为钨的阻挡层金属和附着加固剂，可以有效 的避免钨攻击下层材料。
钛作为铜的阻挡层金属
硅化物
• 难溶金属和硅在一起发生反应，熔合时形成硅化物，硅 化物是一种热稳定性的金属化合物，并且在硅/难溶金属的 分界面具有低的电阻率，可以减小源漏和栅区硅接触的电阻。
•
如果难熔金属和多晶硅反应，那么它成为多晶硅化物， 惨杂的多晶硅被用做栅电极，有较高的电阻率，这导致了不 应有的RC信号延迟，多晶硅化合物对减小连接多晶硅的串联 电阻是有益的
• 基本溅射过程 1、在高真空腔等离子体产生正氩离子，并向具有负电 势的靶材料加速。 2、在加速过程中离子获得动量，并轰击靶。 3、离子通过物理过程从靶上撞击出原子，靶具有想要 的材料组份。 4、被轰击的原子迁移到硅片表面。 5、被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成薄膜，与靶材 料比较，薄膜具有与它基本相同的材料组分 6、额外材料由真空泵抽走。
金属类型
• • • • • • 铝 铝铜合金 铜 阻挡层金属 硅化物 金属填充物
铝
铝是硅片制造中最重要的材料之一，铝的优点： • 1、铝在20°时具有低电阻率，但比铜、金、银的 电阻率稍高，然而铜和银都比较容易腐蚀，在硅和 二氧化硅中有高的扩散率，金和银比铝昂贵，而且 在氧化膜上附着不好。 • 2、铝能够很容易和氧化硅反应，加热生成氧化铝， 这促使了氧化硅和铝之间的附着，铝能够轻易的淀 积在硅片上，可用湿法刻蚀而不影响下层薄膜。
多层金属化
金属化技术对于提高IC的性能很关键，对于 传统的IC技术而言，由互联线引起的信号延迟使 得芯片的性能降低不是关注的焦点，因为在传统 器件中，主要信号延迟是由器件引起的，然而， 对于新一代ULSI产品制造业而言情况就不同了， 金属布线越密，互联线引起的信号延迟占去时钟 周期的部分就越大，对IC性能的制约影响也越大。
结穿通
• 解决办法： • 铝硅合金 如果铝中已经有硅，哪么衬底向铝 中溶解的速度就会减慢，然而硅在铝中形成合金 的量是有限的，由于硅在铝中凝结，可能导致小 的硅高浓度区域的形成，这就会增加接触电阻。 • 阻挡层金属
铝铜合金
• 由铝和铜形成的合金，当铜的含量在0.5%到4%之 间时，其连线中的电迁移得到控制，通过减少铝 中颗粒之间界面的扩散效果，使得形成的合金从 根本上增加了传输电流的能力。
• 硅化物的形成通常是要求把难熔金属淀积在硅片上，接着 在进行高温退火以Байду номын сангаас成硅化物材料，在有硅的区域，金属 与硅反应形成硅化物，在其他有二氧化硅保护的区域，又 很少或没有硅化物形成。
• TiSi2对硅片制造而言，传统上已经是最普通的接触硅化 物，它用做晶体管硅有源区和钨填充薄膜之间的接触，紧 紧的把钨和硅粘合在一起，有很高的高温稳定特性以及更 低的电阻。
金属化过程
• 1、解释下列名词：金属化、互连、接触和通孔 • 2、列出金属用于硅片制造的要求 • 3、解释铝被选择作为芯片互连金属的原因 • 4、什么是欧姆接触？它的优点是什么？ • 5、描述结尖刺并列出两种解决的主要办法 • 6、描述电迁移 • 7、列出铜金属化的优点 • 8、什么是阻挡层金属？阻挡层材料的基本特性？那些金 属常被用做阻挡层金属？ • 9、为什么蒸发作为金属淀积系统被取代？ • 10、描述溅射的工作方式
金属化
金属化：应用物理或化学的方法在芯片上淀积导电金属薄膜的 金属化 过程。 互连：指由导电材料，如铝、多晶硅或铜制成的连线将电信号 互连 传输到芯片的不同部分。 接触：指硅芯片内的 器件与第一金属层之间在硅表面的连接。 接触 通孔：是穿过各种介质层从某一金属层到比邻的另一层金属层 通孔 形成电路的开口。 填充薄膜：指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属层之间形成 填充薄膜 电连接。
简单的蒸发装置
溅 射
• 溅射是一个物理过程，在溅射过程中，高能粒子撞击具有 高纯度的靶材料固体的平板，按物理过程撞击出原子，这 些被撞击出的原子穿过真空，最后淀积在硅片上。 • 溅射的优点： • 1、具有淀积并保持复杂合金原组份的能力 • 2、能够淀积高温熔化和难熔金属 • 3、能够在直径200毫米或更大的硅片上控制淀积均匀的薄 膜 • 4、具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片表面 玷污和本身的氧化层。
简单平行金属板直流二极管溅射系统
• 除了被溅射的原子被轰击外，还有其他核素淀积 在衬底上，这些核素给衬底加热，引起了薄膜淀 积的不均匀，在铝的淀积过程中，高温也能产生 不需要的铝氧化，这妨碍了溅射过程，在二极管 溅射期间，许多核素撞击硅片表面，由于对灵敏 度器件的辐射，也增加损坏的可能性。
不同核素淀积在衬底上
铜
IC互连金属化引入铜的优点： • 1、电阻率的减少：在20°时，互连金属线的电阻 率比铝在20°时的电阻要小，减少了信号延迟， 增加芯片的速度。 • 2、减少了功耗：减少了线的宽度，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， • 4、良好的抗迁移性能 • 5、更少的工艺步骤