金属化与多层互连(1)
FPC基础简介
Flexible Printed Circuit
FPC旳产品应用
磁碟机 ▪ 不论硬碟或软碟, 都十
分依赖FPC旳高柔软度 以及0.1mm旳超薄厚度, 完毕迅速旳读取资料. 不论是PC或NOTEBOOK.
Flexible Printed Circuit
FPC旳产品应用
电脑与液晶荧幕 ▪ 利用FPC旳一体线路配置,
Flexible Printed Circuit
4）有覆盖层双面连接旳 此类与前类不同处是表面有一层覆盖层。但覆盖层有通路孔，也允许其
两面都能端接，且仍保持覆盖层。此类软性PCB是由两层绝缘材料和一层金属 导体制成。被用在需要覆盖层与周围装置相互绝缘，并本身又要相互绝缘，末 端又需要正、背面都连接旳场合。 4.2.1.2 双面板
Flexible Printed Circuit
3.2 FPC旳应用 因为FPC独特旳性能使得FPC有着广泛旳应用。
挠性印制电路种类
应用范围
单面板
超扭转向列液晶显示屏（STN-LCD）、 软盘驱动器（FDD)、硬盘驱动器(HDD) 、手机、PDA旳连接板
双面板
PDP、 LCD-TV 、LCD显示屏
4.双面板铜箔基材旳叠构：
铜箔 胶 PI 胶 铜箔
Flexible Printed Circuit
4.1.4 覆盖层 覆盖层是覆盖在挠性电路板表面上旳绝缘保护层，它旳作
用是使挠性电路不受尘埃、潮气、化学药物旳浸蚀，及降低弯 曲过程中应力旳影响，尤其是在较长时间旳弯折期内具有较高 旳坚韧度以使挠性电路发挥其主要旳优势。
早期挠性印制电路主要应用在汽车仪表、小型或薄型电 子机构及刚性PCB间旳连接等领域。20世纪70年代末期则逐渐 应用在计算机、摄影机、打印机、汽车音响等电子资讯产品。
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。
(第七章)金属化
常用的硅化物 1. 硅化钛TiSi2 2. 硅化钴CoSi2 （0.25um及以下）
CMOS结构的硅化物
自对准金属硅化物的形成
金属填充塞
0.18μm STI 硅化钴 6层金属IC的逻辑器件
7.3 金属淀积系统
金属淀积系统： 1. 蒸发 2. 溅射 3. 金属CVD 4. 铜电镀
现代集成电路对金属膜的要求
1. 电阻率低：能传导高电流密度 2. 粘附性好：能够粘附下层衬底实现很好的电连接， 半导体与金属连接时接触电阻低 3. 易于淀积：容易成膜 4. 易于图形化：对下层衬底有很高的选择比，易于平 坦化 5. 可靠性高：延展性好、抗电迁徙能力强 6. 抗腐蚀性能好 7. 应力低：机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属线 断裂、空洞。
半导体传统金属化工艺—物理气相淀积（PVD） SSI、MSI→蒸发 LSI以上→溅射
金属淀积系统——蒸发
蒸发是在高真空中，把固体成膜材料加热并使之变 成气态原子淀积到硅片上的物理过程。 蒸发的工艺目的
在硅片上淀积金属膜以形成金属化电极结构。
成膜材料的加热方式：蒸发器分为电阻加热、电子 束加热、高频感应加热等三种。在蒸发工艺中，本 底真空通常低于 10－6Torr。
RF（射频）溅射系统
磁控溅射是一种高密度等离子体溅射，是利用靶 表面附近的正交电磁场使电子平行靶表面做回旋 运动，从而大大增加了与氩原子的碰撞几率，显 著地提高了等离子体区的Ar离子密度，使溅射速 率成倍增加。
在溅射技术中，磁控溅射占主流。
蒸发和溅射的比较
特点
优
点
缺
铜互连技术
铜互连技术2008-2-18周江涛、周长聘、严玮俊、沈系蒙、陈龙摘要:在集成电路中采用双镶嵌工艺制备互连线，铜作为互连线的材料具有低电阻率和较好的抗电迁移能力等优点，同时存在新的缺陷模式如沟槽缺陷、气泡缺陷、金属缺失等，目前的工作主要是该工艺的完善。
本文将按如下次序介绍:Cu淀积(用于生长籽晶);铜图形化方法,,铜图形化有三种方法:镶嵌工艺(damascene), 剥离工艺 , 铜刻蚀;抛光(完成互连制备)。
铜互连工艺简介:Cu的互连工艺最早在1997年9月由IBM提出来的，被称为是镶嵌工艺(也称大马士革)。
并应用于制备微处理器、高性能存储器及数字信号处理器等等。
它采用对介电材料的腐蚀来代替对金属的腐蚀来确定连线的线宽和间距。
镶嵌工艺分为单镶嵌和双镶嵌。
它们的区别就是在于穿通孔和本曾的工艺连线是否是同时制备的。
2、铜籽晶层制备经过一系列布线刻槽和穿通孔加工完毕后，是Cu的淀积过程。
由于铜虽然电阻率和电迁移特性优于铝, 但是也有不如铝的方面。
铜对二氧化硅等材料的粘附性很弱,而且在二氧化硅中的扩散系数很大, 所以铜互连线外面需要有一层DBA P (diffuSion barrier and adheSion promoter) , 简称为阻挡层(barrier) , 阻挡层可为氮化硅(Si3N4 )、氮化钛(T iN )、氮化钨(WN )、钽(Ta) 等。
为了能更好地电度上Cu，需要先做上一层薄薄的Cu籽晶层,它对二氧化硅等材料的粘附性却很强，之后再电度Cu。
目前有多种途径来生长种籽层:(溅射法、化学气相淀积法、原子层淀积法)。
A、溅射法制备种籽层:溅射是物理气相淀积的形式之一，具有工艺简单，能够淀积2008-2-18高熔点的金属和原位溅射刻蚀等优点。
因此溅射是目前集成电路工业铜种籽层最主要的制备方法。
由于铜容易与其他材料发生反应，粘附系数高，因此在填充高宽比大的引线孔和沟槽时，往往会先将洞口上方堵塞，从而在引线孔和沟槽中留下孔洞，无法完全填充，这样势必会对器件造成很大影响。
芯片制造工艺
芯片制造工艺
氧化
• 氧化方法：溅射法、真空蒸发法、CVD、 热氧化
法等 • 例：
• 干氧化法：Si+O2= SiO2 （均匀性好） • 湿氧化法：Si+O2= SiO2 （生长速度快）
Si+2H2O= SiO2+H2
芯片制造工艺
0.3.2 开窗
1、真空蒸发PVD 2、 溅射PVD
芯片制造工艺
真空蒸发PVD
芯片制造工艺
溅射PVD
芯片制造工艺
溅射镀铝膜
芯片制造工艺
薄膜淀积——化学气相淀积（CVD）
CVD：利用含有薄膜元素的反应剂在衬底 表面发生化学反应，从而在衬底表面淀 积薄膜。
常用方法： 1、外延生长 2、 热CVD（包括：常压CVD= APCVD、
芯片制造工艺
0.3.5 薄膜淀积、金属化
• 薄膜：一般指，厚度小于1um • 薄膜淀积技术：形成绝缘薄膜、半导体
薄膜、金属薄膜等 • 金属化、多层互连：将大量相互隔离、
互不连接的半导体器件（如晶体管）连 接起来，构成一个完整的集成块电路
芯片制造工艺
0.3.5.1 薄膜淀积
• 薄膜：小于1um，要求：厚度均匀、高 纯度、可控组分、台阶覆盖好、附着性 好、电学性能好
2020/12/17
芯片制造工艺
• 薄膜淀积方法： • 1、物理气相淀积（PVD） • 2、化学气相淀积（CVD：APCVD、
LPCVD、PECVD）
芯片制造工艺
薄膜淀积——物理气相淀积（PVD）
PVD：利用某种物理过程，例如蒸发或 溅 射现象，实现物质转移，即原子或分子 从原料表面逸出，形成粒子射入到硅片 表面，凝结形成固态薄膜。
欧姆接触
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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。
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
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）。
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
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2.铝的电迁移
微电子工艺PPT课件
1874年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器 亦造就了一项新兴的工业──电子业的诞生。
如今，渝德科技被中航集团收购，更名为中航微电子。我市已有西南集 成电路、中航微电子、奥特斯集成电路基板、台晶（重庆）电子、重庆石墨 烯科技公司、SK海力士、中电24所、四联微电子等集成电路生产和研发机构， 形成了设计-制造-封装的完备产业链，重庆大学和重庆邮电大学成立了半导 体学院培养集成电路人才。
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1958年：仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔 数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史；
1960年：H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺；1962年：美国RCA 公司研制出MOS场效应晶体管。
1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天， 95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺
1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，这是一个里程碑 式的发明； 1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了 14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临；
1979年：Intel推出5MHz 8088微处理器，之后，IBM基 于8088推出全球第一台PC
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本课程内容结构？
集成电路制造技术—原理与工艺
硅材料
集成电路工艺
集成和封装测试
第1单元
1 单晶硅结 构
2 硅锭及圆 片制备
第7章 金属化
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，某些位臵渗透较深。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。
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Hale Waihona Puke 7.2 金属类型7.3 金属淀积系统
用于半导体制造业的传统金属化工艺归并到被称为物理气相淀积 （PVD）一类。PVD开始是用灯丝蒸发实现的，接着是用电子束，最近 是通过溅射。化学气相淀积已经成为淀积金属薄膜最常使用的技术。 每次淀积系统的变化都在薄膜特性和质量的控制上取得了改进。 在小规模（SSI）和中等规模（MSI）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，因此它首先被溅射 取代。在研究领域和III-V半导体技术应用中，蒸发仍然被使用。它也 被用于一些特殊领域，如封装期间C4凸点淀积。 电镀技术已被用于各种应用领域。最近几年在磁盘驱动领域已被 用于薄膜磁头金属化。然而作为半导体制造业中铜的淀积方法，电镀 只是刚刚起步。被用于传统和双大马士革金属化的不同金属淀积系统 是： 蒸发 溅射 金属CVD 铜电镀
7.1 引言
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金属化技术对于提高高级IC的性能很关键。对于旧IC技术 而言，由互连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，对新一代ULSI产品制造业而言情况就不同了，金属布线 越密，互连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。
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Al-Si合金退火：相当可观的Si
溶解到Al中。 编辑ppt
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9.3 Al的性质及现象
9.2.2 Al/Si接触的物理现象
①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低； Si在Al中的溶解度相对较高：
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。
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9.3 Al的性质及现象
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
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
集成电路制造技术
第九章 金属化与多层互连
西安电子科技大学
微电子学院
戴显英 2012年8月
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第九章 金属化与多层互连
金属化：金属及金属性材料在IC中的应用。 金属化材料分类：（按功能划分） ①MOSFET栅电极材料－MOSFET器件的组成部分； ②互连材料－将各个独立的元件连接成为具有一
定功能的电路模块。 ③接触材料－直接与半导体材料接触的材料，
高光刻分辨率
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9.2 金属化材料及应用
5、钨W
• 接触孔和通孔中的金属塞
• 接触孔变得越来越小和越窄 • PVD Al合金: 台阶覆盖性差，产生空洞 • CVD W: 出色的台阶覆盖性和空隙填充能力 • CVD W：更高电阻率: 8.0-12 mW-cm
PVD Al合金 (2.9 -3.3 mW-cm) • W只用作局部互连和金属塞
W Plug and TiN/Ti Barrier/Adhesion Layer
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9.2 金属化材料及应用
6、铜
• Low resistivity (1.7 mW×cm), – lower power consumption and higher IC speed
• High electromigration resistance – better reliability
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9.3 Al的性质及现象
9.2.4 电迁移现象及改进
电迁移：大电流密度下，导电电子与铝金属离子发生动量交 换，使金属离子沿电子流方向迁移。
现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路； 在 阴极端形成空洞，导致电极开路。
改进电迁移的方法
14Biblioteka 9.3 Al的性质及现象9.2.1 Al的性质
电阻率：Al为2.7μΩ/cm，
（Au2.2 μΩ/cm，Ag1.6 μΩ/cm，
Cu 1.7μΩ/cm）
Al合金为3.5 μΩ/cm；
溶解度：Al在Si中很低，
Si在Al中相对较高，如
400℃时，0.25wt%；
450℃时，0.5wt%；
500℃时，0.8wt%；
• Poor adhesion with silicon dioxide • Highly diffusive, heavy metal contamination • Very hard to dry etch
– copper-halogen have very low volatility
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9.1 集成电路对金属化的基本要求
1. 形成低阻欧姆接触； 2. 提供低阻互连线； 3. 抗电迁移； 4. 良好的附着性； 5. 耐腐蚀； 6. 易于淀积和刻蚀； 7. 易键合； 8. 层与层之间绝缘要好。
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9.2 金属化材料及应用
常用金属材料：
➢ Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等
常用的金属性材料：
➢ 1）掺杂的poly-Si； ➢ 2）金属硅化物--PtSi、CoSi2、WSi2、TiSi2； ➢ 3）金属合金--AlSi、AuCu、CuPt、TiB2 、 SiGe 、
ZrB2 、TiC、MoC、TiN。
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9.2 金属化材料及应用
1、多晶硅
－栅和局部互连，
－70s中期后代替Al作为栅极，
以及提供与外部相连的接触点。
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互连材料－Interconnection
➢互连在金属化工艺中占有主要地位 ➢Al-Cu合金最为常用 ➢W塞（80s和90s） ➢Ti：焊接层 ➢TiN：阻挡、黏附层 ➢未来互连金属－－Cu
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CMOS标准金属化
互连：Al-Cu合金 接触孔与通孔：金属W（Ti/TiN/W） Ti/TiN：焊接层、阻挡层、防反射层 电极材料：金属硅化物，如TiSi2
－高温稳定性：满足注入后退火的要求，Al不能自对准
－重掺杂，LPCVD淀积
2、硅化物
－电阻率比多晶硅更低，
－常用TiSi2, WSi2和 CoSi2
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9.2 金属化材料及应用
2、硅化物
自对准形成硅化钛
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9.2 金属化材料及应用
3、铝（Al）
▪ 最常用的金属
▪ 导电性第四好的金属 – 铝 2.65 μΩ-cm
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9.2 金属化材料及应用
接触工艺的演变
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W原料：WF6
W钨 CVD
先与SiH4反应形成W淀积的核层:
2WF6(g) +3SiH4→2W(s)+3SiF4(g)+6H2
再与H2反应淀积W: WF6(g) +3H2→W(s)+6HF(g)
需要TiN/Ti层与氧化物黏附
– 金 2.2 μΩ-cm
– 银 1.6 μΩ-cm
– 铜 1.7 μΩ-cm
▪ 1970s中期以前用作栅电极金属
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9.2 金属化材料及应用
4、钛Ti：硅化钛、氮化钛
Ti/TiN的作用：
1）阻挡层：防止W扩散
2）粘合层：帮助W与SiO2 表面粘合在一起
3）防反射涂层ARC （Anti-reflection coating），防止反射提
Al形成尖楔
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9.3 Al的性质及现象
9.2.3 Al/Si接触的尖楔现象
尖楔机理：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％的过量Si