1、半导体制造工艺第6章金属化第6章金属化6.1概述6.2金属化类型6.3金属淀积6.4金属化流程6.5金属化质量控制6.6金属淀积的工艺模拟6.1概述6.1.1金属化的概念在硅片上制造芯片可以分为两部分：第一，在硅片上利用各种工艺（如氧化、CVD、掺杂、光刻等）在硅片表面制造出各种有源器件和无源元件。第二，利用金属互连线将这些元器件连接起来形成完整电路系统。金属化工艺（Metallization）就是在制备好的元器件表面淀积金属薄膜,并进行微细加工，利用光刻和刻蚀工艺刻出金属互连线，然后把硅片上的各个元器件连接起来形成一个完整的电路系统，并提供与外电路连接接点的工艺过程。6.1.2金属化的作用金
2、属化在集成电路中主要有两种应用：一种是制备金属互连线，另一种是形成接触。1.金属互连线6.1概述2.接触1)扩散法是在半导体中先扩散形成重掺杂区以获得N+N或P+P的结构，然后使金属与重掺杂的半导体区接触，形成欧姆接触。2)合金法是利用合金工艺对金属互连线进行热处理，使金属与半导体界面形成一层合金层或化合物层，并通过这一层与表面重掺杂的半导体形成良好的欧姆接触。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
3、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61。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。6.2金属化类型6)很好的耐腐蚀性。7)在处理和应用过程中具有长期的稳定性。表6-1硅和各种金属材料的熔点和电阻率(20C)表6-1硅和各种金属材料的熔点和电阻率(20C)6.2金属化类型6.2.2
4、铝与硅和二氧化硅一样，铝一直是半导体制造技术中最主要的材料之一。从集成电路制造早期开始就选择铝作为金属互连的材料，以薄膜的形式在硅片中连接不同器件。直至21世纪初期，为了进一步提高IC性能，在较高性能的超大规模集成电路（VLSI）中开始应用铜互连技术。但铝在集成电路制造中地位仍然非常重要，选择铝作为金属互连线是因为铝具有以下优势：1)较低的电阻率。2)铝价格低廉。3)工艺兼容性。4)铝膜与下层衬底(通常是硅、二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性。6.2.3铝铜合金6.2金属化类型6.2.3铝铜合金前文介绍到铝存在电迁徙问题。电流是通过导体内电子的移动产生的，电子在移动的过程中会与金属原子发生碰撞
5、。在大电流密度的情形下，大量电子对金属原子的持续碰撞，会引起原子逐渐而缓慢的移动，这就电迁徙现象。由于金属原子质量远远大于电子的质量，通常在导体横截面积较大的情况下，不会考虑电迁徙现象。但是由于互连线的特征图形尺寸越来越细，这时候铝互连电迁徙现象引发的问题就更加明显。铝原子的移动导致导体中某些位置原子的损耗，以至于产生空洞，最终引起互连线局部减薄或变细，直至产生断路。在导体的其他区域，铝原子堆积起来则形成小丘，外在表现为金属薄膜表面鼓出，如果有过多或大量的小丘形成，可能会与毗邻的连线短接在一起，如图6 2所示。这些情况都是芯片在使用一段时间后才经常发生。6.2金属化类型电迁徙已经变成影响芯片可
6、靠性问题的重要因素，是集成电路中广泛研究的失效机制问题之一。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。6.2金属化类型2)减少了功耗。3)更高的互连线集成密度。4)良好的抗电迁徙性能。5)更少的工艺步骤。2.铜在实际实用中的一些难题1)铜在氧化硅和硅中的扩散率很高。2)铜很难被刻蚀。3)在小于200低温的空气中，铜很快被氧化，而且这一层氧化膜不会阻止铜进一步氧化。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
7、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025m的器件中阻挡层金属厚度约100nm，而对于018m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。6.2金属化类型图6-4阻挡层金属6.2金属化类型3)在半导体和金属之间有很好的附着能力。4)抗电迁徙能力强。5)保证在很薄和高温下具有很好的稳定性。6)抗侵蚀和抗氧化性好。图6-5铜的阻挡层金属6
8、.2.6硅化物1.硅化物的形成原理6.2金属化类型图6-6硅化物在半导体器件中的用途6.2金属化类型图6-7自对准形成硅化物的步骤2.自对准方法形成硅化物6.2金属化类型1)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。2)将硅片置于金属淀积腔内，在硅片上淀积一层厚度为2035nm的金属钛薄膜。3)对硅片进行第一次快速热退火，退火温度为625675。4)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。6.2.7钨多层金属化产生了数以十亿计的通孔（Via，也称过孔）。通孔是指两金属层之间形成电通路的介质层开口，在通孔中淀
9、积金属后便形成孔填充塞。孔填充塞可使两层金属之间或第一金属层与器件区之间形成电通路。6.3金属淀积6.3.1金属淀积的方法金属淀积需要考虑的是如何将金属材料转移到硅片表面，并在硅片表面形成具有良好台阶覆盖能力、均匀的高质量薄膜。最初人们想到的是加热蒸发的方法，对金属材料进行加热使之沸腾后蒸发，然后淀积到硅片表面。然而利用这种方法形成的薄膜台阶覆盖能力和粘附力都较差，所以热蒸发法只限于早期的中小规模半导体集成电路制造中使用。为了适应现代的超大规模集成电路制造的需要，人们随后又想到另一种将金属材料转移到硅片表面的方法，这种方法称为溅射。溅射是利用高能粒子去撞击金属靶材料，把金属原子从靶材料中撞击出
10、来后淀积到硅片上。这种方法能形成有较好台阶覆盖能力的高质量薄膜。与化学气相淀积（CVD）不同，蒸发和溅射在形成金属薄膜的过程中没有化学反应，属于物理气相淀积（PVD）。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6-8蒸发系统示意图6.3金属淀积1.加热器图6-9蒸
11、发系统中的加热方式2.片架3.真空系统1)准备。2)抽真空。6.3金属淀积3)基片加热。4)蒸发。5)取片。6.3.3溅射溅射是物理气相淀积（PVD）的另一种淀积形式。与蒸发一样，也是一个物理过程，但是它对真空度的要求不像蒸发那么高，通入氩气前后分别是10-7Torr和10-3Torr(1Torr=133322Pa)。溅射是利用高能粒子撞击具有高纯度的靶材料固体平板，按物理过程撞击出原子，被撞出的原子穿过真空最后淀积在硅片上。6.3金属淀积图6-10溅射工艺的设备示意图6.3金属淀积1)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。2)能获得良好的台阶覆盖。3)形成的薄膜与硅片表面
12、的粘附性比蒸发工艺更好。4)能够淀积难熔金属。5)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层(被称为溅射刻蚀)。1.溅射方法(1)直流二极溅射直流二极溅射是最早采用的溅射方法。(2)射频溅射这种方法既可以淀积金属，也可以淀积绝缘材料，是在大规模集成电路制造工艺中最常用的一种溅射类型。6.3金属淀积图6-11射频溅射设备示意图6.3金属淀积(3)磁控溅射直流溅射离化率低，射频溅射离化率有提高，但不显著。2.多腔集成溅射装备3.典型溅射设备操作步骤1)清洗程序:用BOE溶液(溶液中水与HF缓冲液的体积比为90 1)腐蚀，温度为23，用时为60s。去离子水冲洗6次。甩干。用去离
13、子水冲洗，然后用热氮气甩干。2)在“KEY”模式下输入操作者使用号，操作屏立刻进入“SERVICE”模式。6.3金属淀积3)在操作屏“SERVICE”模式下按下“SELECT RECIPE”键，选择所要求的菜单，选好菜单后打开溅射系统的S-枪电源或RF电源和RF网络匹配电源。4)在操作屏“SERVICE”模式下按下“STANDBY”键和“ENABLE HEATERS”键。5)当第一盒硅片在溅射时，如果要对第二盒硅片进行溅射，只要按下操作屏“LOAD”键。6)当第一盒子25片硅片溅射快结束时，屏幕会出现“UNLOAD/LOAD CASSETTE”。7)关闭溅射系统S-枪电源。4.溅射设备常见故障
14、和解决办法6.3金属淀积1)溅射设备基础压力没有达到规范值(不大于510-7Torr)(1Torr=133.322Pa)。解决办法：一般可调换陶瓷环来解决。2)氩气用完。解决办法：需更换新的氩气钢瓶。3)硅片不断落在腔室里。传输板定位不正确。CLIP(橡皮环)或陶瓷环屏蔽罩没有安装到位。解决办法：关闭RF电源，关闭加热器电源，关闭溅射电源，放气并打开腔室。6.3金属淀积 调整传输板的定位，检查“TABLE INSERT”(工作台衬垫)表面是否有擦伤痕迹，如有擦伤需重新安装。关闭腔室，建立高真空，在真空度不大于510-5Torr(1Torr=133.322Pa)时，烧 打开所有电源，跑片2550
15、片，冷泵再生。冷泵再生后，跑片50片(打假片)，反射率达到要求后，做BT(加偏压、偏温CV曲线)测试。BT通过后，即可生产。6.3金属淀积6.3.4金属CVD对于金属薄膜，更多的是选择物理气相淀积（PVD）法进行淀积，即蒸发和溅射。然而，化学气相淀积（CVD）工艺在获得优良的等角台阶覆盖和对高深宽比通孔无间隙式的填充等方面有着明显的优势。当器件的特征尺寸减小到015m或更小时，金属CVD的优势更加突出。所以在某些金属层结构中使用金属CVD的方法进行淀积可以得到更好的效果，比如制备具有高深宽比的钨塞和要求等角台阶覆盖的薄铜种子层等。1.钨CVD2.铜CVD6.3金属淀积6.3.5铜电镀电镀（EC
16、P）是工业上传统的镀膜工艺之一。但是因电镀制膜法存在较大污染和难以控制的工艺过程，在半导体制造中一直未被采用，直到铜互连技术的出现才被采用。铜电镀工艺具有成本低、工艺简单、无需真空支持、增大电流可提高淀积速率等优点。已成为现代完成铜互连薄膜淀积的主要工艺。图6-12铜电镀原理示意图6.3金属淀积1.脉冲电镀法2.添加剂法图6-13沟槽中的三种添加剂和氯离子6.4金属化流程6.4.1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作为层间介质隔离层。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
17、属6.4金属化流程1.第一层金属(金属1)2.通孔2的形成3.钨塞2的形成图6-15形成通孔26.4金属化流程图6-16形成钨塞26.4金属化流程图6-17淀积金属24.淀积金属26.4金属化流程图6-18刻蚀金属25.刻蚀出互连线6.4金属化流程6.4.2双大马士革流程铜金属化在各方面的性能比铝更具优势，半导体产业正在实现用铜做微芯片的互连材料。而传统工艺中的干法刻蚀铜不能产生易挥发的副产物，因此铜不适合干法刻蚀。这个问题直接导致铜金属化不能采用传统的工艺流程进行。双大马士革工艺是通过层间介质刻蚀形成孔和槽，确定好线宽和图形间距，然后将铜淀积至刻蚀好的图形，再经过化学机械抛光除掉多余的铜。利
18、用这种方法不需要金属刻蚀而且通孔和引线同时被制备好。所以使用双大马士革法完成铜金属化成为最佳选择。6.4金属化流程图6-19层间介质淀积1.层间介质淀积6.4金属化流程图6-20刻蚀金属2的线槽2.金属2的线槽刻蚀6.4金属化流程图6-21刻蚀通孔3.金属层间通孔刻蚀6.4金属化流程图6-22淀积阻挡层金属4.淀积阻挡层金属6.4金属化流程图6-23淀积铜种子层5.淀积铜种子层6.4金属化流程图6-24铜电镀6.铜电镀6.4金属化流程图6-25化学机械抛光7.用CMP清除额外的铜6.5金属化质量控制1.反射率的测量2.金属膜厚的测量图6-26薄层导体示意图(1)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Rs。6.5金属化质量控制图6-27四探针仪示意图(2)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法。6.6金属淀积的工艺模拟图6-28铝刻蚀后的结构示意图6.6金属淀积的工艺模拟图6-29
