1、1金属化与平坦化金属化与平坦化2概概 述述n金属化金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金将晶片上制成的各种元器件用互连金属线连接起来构成具有各种功能的集成电路属线连接起来构成具有各种功能的集成电路的工艺。的工艺。是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上上淀积金属薄膜淀积金属薄膜，通过光刻，通过光刻形成互连金属线形成互连金属线和和集成电路的集成电路的孔填充塞的过程孔填充塞的过程。3互连金属互连金属45在集成电路中金属薄膜主要用于在集成电路中金属薄膜主要用于n1.欧姆欧姆接触接触（Ohmic Contact）n2.肖特基肖特基接触接触（Schottky Barrier Con
2、tact）n3.低阻栅低阻栅电极电极（Gate Electrode）n4.器件间器件间互联互联（interconnect）6金属化的金属化的几个术语几个术语n接触（接触（contactcontact）：指硅芯片内的：指硅芯片内的器件与第一层金属层器件与第一层金属层之之间在硅表面的连接间在硅表面的连接n互连（互连（interconnectinterconnect）：由导电材料，：由导电材料，(如铝，多晶硅或如铝，多晶硅或铜铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分n通孔（通孔（viavia）：）：通过各种介质层从通过各种介质层从某一金属层到相邻的另某一金属层
3、到相邻的另一金属层一金属层形成电通路的开口形成电通路的开口n“填充薄膜填充薄膜”：是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属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。层之间形成电连接。n层间介质（层间介质（ILD:ILD:InnerInner Layer Layer Dielectric Dielectric ）：）：是是绝缘材绝缘材料，料，它它分离了金属之间的电连接。分离了金属之间的电连接。ILDILD一旦被淀积，便被一旦被淀积，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（通常是钨 W W）填充通孔，形成通孔填充薄
4、膜。）填充通孔，形成通孔填充薄膜。7对对ICIC金属化系统的主要要求金属化系统的主要要求 (1)(1)低阻互连低阻互连(2)(2)金属和半导体形成低阻金属和半导体形成低阻欧姆接触欧姆接触(3)(3)与下面的氧化层或其它介质层的与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好粘附性好(4)(4)对台阶的对台阶的覆盖好覆盖好(5)(5)结构稳定结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象，不发生电迁移及腐蚀现象(6)(6)易刻蚀易刻蚀(7)(7)制备工艺简单制备工艺简单High speedHigh reliabilityHigh density8Early structures were simple Al/Si con
5、tacts.早期结构是简单的早期结构是简单的AL/SiAL/Si接触接触n为了将半导体器件与外部有效地联系起来，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必须首先在半导体和互连线之间制作接触接触。9金属层和硅衬底形成什么接触？金属层和硅衬底形成什么接触？10 金属层和硅衬底的接触，既可以形成金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触，整流接触，也可以形成也可以形成欧姆接触，欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂主要取决于半导体的掺杂浓度及金半接触的势垒高度浓度及金半接触的势垒高度 Heavily doped N+SimetalOhmic ContactN-Si metalS
6、chottkyContactn金属金属/半导体的两种接触类型：半导体的两种接触类型：n欧姆接触：欧姆接触：具有线性和对称的具有线性和对称的V-I特性，且接特性，且接触电阻很小；触电阻很小；n肖特基接触：肖特基接触：相当于理想的二极管；相当于理想的二极管；1112形成欧姆接触的方式形成欧姆接触的方式 n高复合欧姆接触高复合欧姆接触n高掺杂欧姆接触高掺杂欧姆接触 Al/N-Si势垒高度势垒高度 0.7eV需高掺杂欧姆接触需高掺杂欧姆接触 半导体表面的半导体表面的晶体缺陷晶体缺陷和高复合中心和高复合中心杂质杂质在半导体表面耗尽区中在半导体表面耗尽区中起复合中心作用起复合中心作用q低势垒欧姆接触低势垒
7、欧姆接触 一般一般金属和金属和P型半导体型半导体 的接触势垒较低的接触势垒较低Al/p-SiAl/p-Si势垒高度势垒高度 0.4eV0.4eV13常用的金属化材料常用的金属化材料n1.Aln是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。n电阻率较低（电阻率较低（2020时具有时具有2.652.65-cm-cm）；工艺）；工艺简单；简单；n易形成低阻欧姆接触。易形成低阻欧姆接触。14ILD-4ILD-5ILD-6Top NitrideBonding pad Metal-5 (Aluminum)Metal-4Via-4Metal-4 is preceded
8、by other vias,interlayer dielectric,and metal layers.Metal-3铝互连铝互连15金属和硅接触的问题金属和硅接触的问题-硅不均匀溶解到硅不均匀溶解到Al中，并向中，并向Al中扩散，硅片中留下中扩散，硅片中留下空洞空洞,Al填充到空洞填充到空洞,引起短路引起短路1.1.尖峰现象尖峰现象spiking problemsspiking problems16解决解决spikingspiking问题的方法问题的方法 n一种方法是一种方法是在在AlAl中掺入中掺入1-2%Si1-2%Si以满足溶解性以满足溶解性n另一种方法是利用另一种方法是利用扩散阻挡
9、层扩散阻挡层(Diffusion Barrier)(Diffusion Barrier)n常用扩散阻挡层：常用扩散阻挡层：TiN,TiW较好的方法是采用阻挡层较好的方法是采用阻挡层,Ti,Ti 或或 TiSiTiSi2 2有好的接触和黏附有好的接触和黏附性性,TiN,TiN 可作为阻挡层可作为阻挡层172.铝的电迁移铝的电迁移 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，子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移，这种现象称为这种现象称为金属电迁移金属电迁移 后果：后果：电迁移会使金属离子电迁移会使金属
10、离子在阳极在阳极端堆积，形成端堆积，形成小丘或晶须，小丘或晶须，造成电极间短路造成电极间短路，在阴极端在阴极端由于金属空由于金属空位的积聚而形成空洞，位的积聚而形成空洞，导致电路开路导致电路开路 18n解决方法：解决方法：n采用采用Al-CuAl-Cu或或Al-Si-CuAl-Si-Cu（硅（硅1.21.22 2，铜，铜2 24 4）合金。）合金。n铜原子在多晶状铜原子在多晶状AlAl的晶粒边界处分凝，阻止的晶粒边界处分凝，阻止AlAl原子沿晶粒边界的运动。原子沿晶粒边界的运动。n优化版图设计，降低电流密度。优化版图设计，降低电流密度。193.Al 3.Al 与二氧化硅的反应与二氧化硅的反应4
11、Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间绝缘层，导致电极间的短路失效。的短路失效。20n合金化的合金化的目的是目的是使接触孔中的使接触孔中的金属与硅金属与硅之间之间形成低形成低阻欧姆接触阻欧姆接触，并，并增加增加金属与二氧化硅金属与二氧化硅之间的之间的附着力附着力n在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金n铝铝n铝铜合金铝铜合金n铜铜n硅化物硅化物n金属填充塞金属填充塞n阻挡层金属阻挡层金属21硅和硅片制造业中所选择的金属硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20(at 20C)C)22n由于铝的低
12、电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因此被选择为此被选择为ICIC的主要互连材料。然而的主要互连材料。然而铝铝有众所周知有众所周知的的电迁徒引起电迁徒引起的的可靠性问题可靠性问题。由于电迁徒，由于电迁徒，在金属表面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丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在连线有可能短接在一起。一起。n当当少量少量百分比的百分比的铜与铝形成合金，铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会铝的电迁移现象会被显著的改善。被显著的改善。nAl-Si-
13、Cu(0.5%)Al-Si-Cu(0.5%)合金是最常使用的合金是最常使用的连线金属连线金属铝铜合金铝铜合金23n由于由于ULSIULSI组件密度的增加，组件密度的增加，互连电阻互连电阻和和寄生电寄生电容容也会随之增加，从而也会随之增加，从而降低了信号的传播速度。降低了信号的传播速度。n减小互连电阻减小互连电阻可通过用可通过用铜取代铝铜取代铝作为基本的导作为基本的导电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要低低K K值层间介质（值层间介质（ILDILD）。通过降低介电常数来减通过降低介电常数来减少寄生电容。少寄生电容。24ICIC互连金属化引入铜的优点互连金属化引
14、入铜的优点1.1.电阻率的减小：电阻率的减小：互连金属线的电阻率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。可以减少信号的延迟，增加芯片速度。2.2.功耗的减少：功耗的减少：减小了电阻，降低了功耗。减小了电阻，降低了功耗。3.3.更高的集成密度：更高的集成密度：更窄的线宽，允许更高更窄的线宽，允许更高密度的电路集成，这意味着需要更少的金密度的电路集成，这意味着需要更少的金属层。属层。4.4.良好的抗电迁移性能：良好的抗电迁移性能：铜不需要考虑电迁铜不需要考虑电迁徒问题。徒问题。5.5.更少的工艺步骤：更少的工艺步骤：用大马士革用大马士革 方法处理铜方法处理铜具有减少工艺步骤具有
15、减少工艺步骤 2020 to 30%to 30%的潜力。的潜力。25对铜的挑战对铜的挑战 与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互连主要涉与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互连主要涉及及三个方面的挑战三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝技术，这些挑战明显不同于铝技术，在铜应用与在铜应用与ICIC互连之前必须解决：互连之前必须解决：1.1.铜快速扩散进氧化硅和硅，铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有源区，一旦进入器件的有源区，将会损坏器件。将会损坏器件。2.2.应用常规的应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图形。形。干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产生挥
16、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发性的副产物，而这对于经济的干法刻蚀是必不可少的。少的。3.3.低温下（低温下（200200）空气中，）空气中，铜很快被氧化铜很快被氧化，而且不，而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。会形成保护层阻止铜进一步氧化。26阻挡层金属阻挡层金属铜铜 铜在硅和二氧化硅中都有铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率很高的扩散率，这种高，这种高扩散率将破坏器件的性能。可扩散率将破坏器件的性能。可淀积一层阻挡层金属淀积一层阻挡层金属，作用是作用是阻止层上下的材料互相混合阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚（见下图）。其厚度对度对
17、0.250.25m m工艺来说为工艺来说为100nm100nm；对；对0.350.35m m工艺来说为工艺来说为400400600nm600nm。铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层封闭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薄膜的作用是加固附着加固附着并并有效地阻止扩散有效地阻止扩散。27钽作为铜的阻挡层金属：钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，对于铜互连冶金术来说，钽钽（TaTa）、氮化钽和钽化硅、氮化钽和钽化硅都是阻挡层金属的待选材料，都是阻挡层金属的待选材料，阻阻挡层厚度必须很薄挡层厚度必须很薄（约（约7575埃），埃），以致它不影响以致它不影响具有高深宽具
18、有高深宽比填充薄膜的比填充薄膜的电阻率电阻率而又能扮演一个而又能扮演一个阻挡层阻挡层的角色。的角色。铜铜钽钽28可接受的可接受的阻挡层金属的基本特征：阻挡层金属的基本特征：1.有有很好的阻挡扩散作用；很好的阻挡扩散作用；2.高导电率具有很高导电率具有很低的欧姆接触电阻；低的欧姆接触电阻；3.在半导体和金属之间有在半导体和金属之间有很好的附着；很好的附着；4.抗电迁移抗电迁移5.在在很薄的并且高温下具有很好的稳定性；很薄的并且高温下具有很好的稳定性；6.抗侵蚀和氧化。抗侵蚀和氧化。29Silicide Polycide Saliciden这三个名词对应的这三个名词对应的应用应该是一样的应用应该是
19、一样的，都是利，都是利用硅用硅化物来化物来降低连接电阻。降低连接电阻。但生成的工艺是不一样的但生成的工艺是不一样的30硅化物硅化物 Silicide Silicide就是金属硅化物，就是金属硅化物，是由金属和是由金属和硅经过物理化学反应形成的一种化合态，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其导电特性介于金属和硅之间 硅化物硅化物是一种是一种具有具有热稳定性热稳定性的金属化合的金属化合物，并且在硅物，并且在硅/难熔金属的分界面具有难熔金属的分界面具有低的低的电阻率电阻率。在硅片制造业中，难熔金属硅化物。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
20、是非常重要的，因为为了提高芯片性能，需要要减小减小许多许多源漏和栅区硅接触的电阻源漏和栅区硅接触的电阻。在。在铝铝互连技术中，互连技术中，钛和钴钛和钴是用于接触的普通难熔是用于接触的普通难熔金属金属。31nPolycide和和Salicide则是分别指对着则是分别指对着不同的形不同的形成成Silicide的工艺流程，的工艺流程，下面对这两个流程的下面对这两个流程的区别简述如下：区别简述如下：32多晶硅上的多晶硅上的多晶硅化物多晶硅化物 Polycide钛多晶硅化物钛硅化物多晶硅栅掺杂硅 如果难熔金属如果难熔金属和多晶硅和多晶硅反应。那么它被称为反应。那么它被称为多晶多晶硅化物硅化物。掺杂的多晶
21、硅掺杂的多晶硅被用作被用作栅电极栅电极，相对而言，相对而言它有它有较高的电阻率较高的电阻率（约（约500-cm），正是这导致），正是这导致了不应有的了不应有的信号延迟信号延迟。多晶硅化物对减小多晶硅化物对减小连接多连接多晶硅的串联晶硅的串联电阻是有益的电阻是有益的33nPolycidePolycide ：其一般制造过程是，栅氧化层其一般制造过程是，栅氧化层完成以后，继续在其上面生长多晶硅完成以后，继续在其上面生长多晶硅(POLY-SI(POLY-SI），然后），然后在在POLYPOLY上上继续继续生长金属生长金属硅化物（硅化物（silicidesilicide），），其一般为其一般为 WSi2
22、 WSi2（硅化钨）和（硅化钨）和 TiSi2 TiSi2（硅化钛）薄膜，然（硅化钛）薄膜，然后后再进行栅极刻蚀再进行栅极刻蚀和和有源区注入有源区注入等其他工等其他工序，完成整个芯片制造。序，完成整个芯片制造。34自对准硅化物自对准硅化物 saliciden由于在优化超大规模集成电路的性能方面，需要进一步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，因此在按比列缩小器件的尺寸，因此在源源/漏和第一金属层之漏和第一金属层之间电接触的面积是很小的间电接触的面积是很小的。这个小的接触面积将。这个小的接触面积将导致接导致接触电阻增加。触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源一
23、个可提供稳定接触结构、减小源/漏区漏区接触电阻的工艺被称为接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。自对准硅化物技术。它能很好地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）。能问题取决于自对准硅化物的形成（见下图）。n自对准硅化物的自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差主要优点是避免了对准误差。35nSalicideSalicide:它的生成比较复杂，先是完成它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀栅刻蚀及及源漏注入源漏注入以后，以溅射的方式在以后，以溅射的方式在POLYPOLY上上淀积淀积一层一层金金属
24、层属层（一般为（一般为 Ti,CoTi,Co或或NiNi），），然后进行然后进行第一次第一次快速快速升温退火处理（升温退火处理（RTARTA），使多晶硅表面和淀积的金属，使多晶硅表面和淀积的金属发生反应，发生反应，形成金属硅化物形成金属硅化物。n根据退火温度设定，使得其他根据退火温度设定，使得其他绝缘层绝缘层（Nitride Nitride 或或 OxideOxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望不希望的的硅化物，硅化物，因此因此是一种自对准的过程是一种自对准的过程(does not require lithographic patterning pr
25、ocesses)。n然后然后再用一种选择性强的湿法刻蚀再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O2/H20NH4OH/H2O2/H20或或H2SO4/H2O2H2SO4/H2O2的混合液）的混合液）清除不需要的金属淀积层，清除不需要的金属淀积层，留下留下栅极及其他需要做硅化物的栅极及其他需要做硅化物的salicidesalicide。362.钛淀积Silicon substrate1.有源硅区场氧化层侧墙氧化层多晶硅有源硅区3.快速热退火处理钛硅反应区4.去除钛TiSi2 形成Self-aligned silicide(“salicide”)process自对准硅化物工艺自对准硅化物工艺
26、SalicideSalicide37nThe 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 reg
27、ions of the device,ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes.n 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 process
28、es,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.38 polycide:降低栅极电阻降低栅极电阻salicid
29、e：既能降低栅极电阻，又能降低源漏：既能降低栅极电阻，又能降低源漏电阻电阻 39n 什么叫做什么叫做polycidepolycide和和SalicideSalicide结构结构及工艺？他们的优点是什么？如何实及工艺？他们的优点是什么？如何实现？现？40n答：答：PolycidePolycide一般是由一般是由silicidesilicide和和poly sipoly si组成的多晶硅组成的多晶硅化物。化物。n优点在于：低的电阻，热稳定性好，好的化学稳定性，能优点在于：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。与硅形成均匀一致的界面。n实现：实现：n1.1.多晶硅的沉积和掺
30、杂，多晶硅的沉积和掺杂，PVDPVD或者或者CVDCVD沉积。沉积。n2.2.金属硅化物沉积，金属硅化物沉积，PVDPVD或者或者CVDCVD沉积。沉积。n3.3.热退火。热退火。n4.4.栅掩模光刻栅掩模光刻n5.RIE5.RIE刻蚀刻蚀n6.S/D6.S/D离子注入离子注入41nSalicide（Self Aligned Silicide）是自对准硅化物的简称。）是自对准硅化物的简称。n优点在于：优点在于：1.自对准。自对准。2.s/d区寄生电阻大大减少区寄生电阻大大减少3.栅层互联栅层互联电阻减少，很好的界面，适合应用于短沟道器件。电阻减少，很好的界面，适合应用于短沟道器件。n实现过程：
31、实现过程：n1.自对准多晶硅生成，。自对准多晶硅生成，。n2.绝缘介质沉积，绝缘介质沉积，RIE刻蚀形成侧墙。刻蚀形成侧墙。n3.S/D区形成区形成n4.磁控溅镀一层金属在整个晶片的表面磁控溅镀一层金属在整个晶片的表面n5.低温快速热退火，使淀积的金属膜与源漏极的硅和栅极的低温快速热退火，使淀积的金属膜与源漏极的硅和栅极的多晶硅反应，而形成金属硅化物多晶硅反应，而形成金属硅化物n6.未参加反应的金属用湿法刻蚀加以去除。未参加反应的金属用湿法刻蚀加以去除。n7.高温快速热退火，形成高电导的金属硅化区。高温快速热退火，形成高电导的金属硅化区。42金属填充塞金属填充塞n多层金属化产生了对数以十亿计的
32、多层金属化产生了对数以十亿计的通孔通孔用用金金属填充塞属填充塞填充的需要，以便填充的需要，以便在两层金属之间在两层金属之间形成电通路。形成电通路。接触填充薄膜也被用于连接硅接触填充薄膜也被用于连接硅片中硅器件和第一层金属化。片中硅器件和第一层金属化。目前被用于填目前被用于填充的最普通的金属是钨充的最普通的金属是钨，因此填充薄膜常常，因此填充薄膜常常被称为钨填充薄膜被称为钨填充薄膜(见下图见下图)。钨具有均匀填钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力充高深宽比通孔的能力，因此被选作传统的，因此被选作传统的填充材料。填充材料。n铝虽然电阻率比钨低，但溅射的铝虽然电阻率比钨低，但溅射的铝不能填充铝不能填充具
33、有高深宽比的通孔，具有高深宽比的通孔，基于这个原因，基于这个原因，铝铝被被用作用作互连材料互连材料，钨钨被限于做被限于做填充材料填充材料。43多层金属的钨填充塞多层金属的钨填充塞早期金属化技术1.厚氧化层淀积2.氧化层平坦化3.穿过氧化层刻蚀接触孔4.阻挡层金属淀积5.钨淀积6.钨平坦化1.穿过氧化层刻蚀接触孔2.铝淀积3.铝刻蚀在接触孔(通孔)中的钨塞氧化硅(介质)铝接触孔氧化硅(介质)现代金属化技术44IC 中的金属塞中的金属塞SiO245阻挡层金属阻挡层金属n阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，采阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，采用用阻挡层可以消除阻挡层可以消除诸如诸如AlSiAlSi互
34、溶和尖刺互溶和尖刺（如图所示）等问题（如图所示）等问题46n通常用做通常用做阻挡层的金属阻挡层的金属是一类具有是一类具有高熔点的金属高熔点的金属，如钛如钛TiTi、钨、钨W W、钽、钽TaTa、钼、钼MOMO、钴、钴CoCo、铂、铂PtPt等等n钛钨（钛钨（TiWTiW）和氮化钛（）和氮化钛（TiNTiN）是）是两种常用的阻挡层两种常用的阻挡层材料材料nTiNTiN引起在引起在AlAl合金互连处理过程中的合金互连处理过程中的优良阻挡特性优良阻挡特性，被广泛应用于超大规模集成电路的制造中。被广泛应用于超大规模集成电路的制造中。nTiNTiN的缺点是的缺点是TiNTiN和硅和硅之间的之间的接触电阻
35、较大接触电阻较大，为解决，为解决这个问题，这个问题，在在TiNTiN淀积之前，通常先淀积一薄层钛淀积之前，通常先淀积一薄层钛（典型厚度为几十纳米或更少）。这层典型厚度为几十纳米或更少）。这层钛能和钛能和SiSi形形成硅化物，从而降低接触电阻。成硅化物，从而降低接触电阻。47具有具有 Ti/TiNTi/TiN 阻挡层金属的垫膜钨阻挡层金属的垫膜钨 CVDCVDTi2 准直钛淀积覆准直钛淀积覆 盖通孔底部盖通孔底部间隙填充介质间隙填充介质铝铝通孔通孔PECVD SiO21.层间介质通孔刻蚀层间介质通孔刻蚀3.CVD TiN 等角淀积等角淀积TiN4.CVD 钨淀积钨淀积钨通孔钨通孔薄膜薄膜5.钨平
36、坦化钨平坦化钨填充钨填充薄膜薄膜钛钛充当了将钨充当了将钨限制在通孔中限制在通孔中的的粘合剂粘合剂；氮氮化钛化钛充当钨的充当钨的扩散阻挡层扩散阻挡层48超大规模集成电路中Cu的互连集成技术 49铜连线的电阻铜连线的电阻R比铝连线小。铜的电阻率为比铝连线小。铜的电阻率为1.7/cm，铝的电阻率为，铝的电阻率为3.1/cm 铜连线的寄生电容比铝连线小铜连线的寄生电容比铝连线小 铜比铝有更低耐电迁移性能，能承受更高的温度铜比铝有更低耐电迁移性能，能承受更高的温度铜连线铜连线IC制造成本低制造成本低 铜连线的双镶嵌铜连线的双镶嵌(dual damascene)ICIC工艺，比铝工艺，比铝连线连线IC工艺
37、减少了约工艺减少了约20一一30的工序，特别是的工序，特别是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序 50铜互连所面临的问题铜互连所面临的问题Cu是半导体的深能级杂质，对半导体中的载流子是半导体的深能级杂质，对半导体中的载流子具有强的陷阱效应具有强的陷阱效应Cu在在SiO2介质中的扩散很快，从而使介质中的扩散很快，从而使SiO2的介电的介电性能严重退化性能严重退化51解决方案解决方案阻挡阻挡Cu扩散的扩散的成功解决了成功解决了Cu的污染问题的污染问题相结合成功解决了相结合成功解决了Cu引引线图形的加工问题线图形的加工问题52Cu的大马士革结构的大马士革结构 单镶嵌单镶嵌
38、 (Single damascene)(Single damascene)工艺工艺 双镶嵌双镶嵌 (Dual damascene)(Dual damascene)工艺工艺SD工艺的互连沟槽和接线柱的制造要经过各工艺的互连沟槽和接线柱的制造要经过各自的介质刻蚀、金属淀积和自的介质刻蚀、金属淀积和CMP工艺过程，其工艺过程，其互连和接线柱的材料可以是不同的金属互连和接线柱的材料可以是不同的金属DDDD工艺中，先在绝缘介质中刻蚀出互连和接线柱，工艺中，先在绝缘介质中刻蚀出互连和接线柱，然后一步完成金属的淀积和然后一步完成金属的淀积和CMPCMP过程，接线柱和过程，接线柱和上层金属是同一种材料上层金属
39、是同一种材料53Cu金属淀积技术金属淀积技术n物理气相淀积物理气相淀积(PVD)n化学气相淀积化学气相淀积(CVD)n电镀电镀(electroplating)n化学镀化学镀(electrolessplating)等等 是目前普遍使用的方法，它具有优秀的间隙是目前普遍使用的方法，它具有优秀的间隙填充能力，高的淀积速度，低的淀积温度，系统填充能力，高的淀积速度，低的淀积温度，系统简单积淀积过程易于控制等特点，但电镀需要简单积淀积过程易于控制等特点，但电镀需要，目前籽晶层由，目前籽晶层由PVD或或CVD制备。制备。54n电镀是完成铜互连线的主要工艺电镀是完成铜互连线的主要工艺。集成电路铜电镀工。集成
40、电路铜电镀工艺通常采用艺通常采用硫酸盐硫酸盐体系的体系的电镀液电镀液n当当电源加在铜（阳极）和硅片（阴极）之间时电源加在铜（阳极）和硅片（阴极）之间时，溶液，溶液中产生电流并形成电场。中产生电流并形成电场。n阳极的阳极的铜发生反应转化成铜离子和电子铜发生反应转化成铜离子和电子，同时阴极也，同时阴极也发生反应，发生反应，n阴极附近的铜离子与电子结合形成镀在硅片表面的铜阴极附近的铜离子与电子结合形成镀在硅片表面的铜，铜离子在外加电场的作用，由阳极向阴极定向移动并铜离子在外加电场的作用，由阳极向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度损耗。电镀的主要目的是在硅片补充阴极附近的浓度损耗。电镀的主要目的是在硅片
41、上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。均匀的铜。5556双大马士革工艺双大马士革工艺n铜不适合用干法刻蚀，为了形成铜互连金铜不适合用干法刻蚀，为了形成铜互连金属线，属线，应用双大马士革方法以避免铜的刻应用双大马士革方法以避免铜的刻蚀。在大马士革过程中，不需要金属刻蚀蚀。在大马士革过程中，不需要金属刻蚀确定线宽和间隔，而需介质刻蚀确定线宽和间隔，而需介质刻蚀n通过在层间介质刻蚀通过在层间介质刻蚀孔和槽孔和槽，既为每一金，既为每一金属层属层产生通孔又产生引线产生通孔又产生引线，然后淀积铜进，然后淀积铜进入刻蚀好的图形，再用入刻蚀好的图
42、形，再用CMP去掉额外的铜去掉额外的铜57双大马士革工艺双大马士革工艺58铜镶嵌布线铜镶嵌布线ILDILDM1CuSiNCu通孔通孔和和金属层金属层的铜填充的铜填充同时进行同时进行，节省了工节省了工艺步骤艺步骤并并消除了消除了通孔和金属线之间的通孔和金属线之间的界面界面59传统和大马士革金属化比较传统和大马士革金属化比较传统互连流程氧化硅通孔2刻蚀 钨淀积+CMP金属2淀积+刻蚀覆盖 ILD 层和 CMP双大马士革流程覆盖 ILD 层和 CMP氮化硅刻蚀终止层(光刻和刻蚀)第二层 ILD 淀积和穿过两层氧化硅刻蚀铜填充铜CMP通孔通孔和和金属层金属层的铜填充的铜填充同时进行同时进行，节省了工节
43、省了工艺步骤艺步骤并并消除了消除了通孔和金属线之间的通孔和金属线之间的界面界面60平坦化平坦化n为什么要实现芯片的平坦化？为什么要实现芯片的平坦化？n为了能够在有限的圆晶片表面上为了能够在有限的圆晶片表面上有足够的金属内连线有足够的金属内连线，以配合日趋精密且复杂的集成电路的发展需求，以配合日趋精密且复杂的集成电路的发展需求，在晶在晶片上制作两层以上的金属层，早已成为半导体工艺发片上制作两层以上的金属层，早已成为半导体工艺发展的一种趋势展的一种趋势(尤其是在尤其是在VLSIVLSI逻辑产品上更显得重要逻辑产品上更显得重要)。为了使为了使两层金属线之间有良好的隔离效果两层金属线之间有良好的隔离效
44、果，在制作第，在制作第二层金属层之前，必须先把二层金属层之前，必须先把用来隔离这两层导线的介用来隔离这两层导线的介电层电层做好才行。但是，因为这层以做好才行。但是，因为这层以CVDCVD法法所沉积的介所沉积的介电层会受到第一层金属层的轮廓的影响，因此电层会受到第一层金属层的轮廓的影响，因此必须加必须加以平坦化，以平坦化，以利于以利于第二层金属的第二层金属的光刻光刻。平坦化以后，平坦化以后，就可以沉积第二层金属了。就可以沉积第二层金属了。61用於晶圓平坦化的術語用於晶圓平坦化的術語 平坦化形式 描述 平滑化 階梯高度的轉角為圓滑的且側壁是傾斜式的，但其高度則未能明顯降低。部分平坦化 平滑化加上局
45、部的階梯高度降低。局部平坦化 在較小間隙(1 到 10m)或在晶粒間局部區域的完全充填，跨於晶圓上相對於平面的整體階梯高度並未明顯降低。全面平坦化 完成局部平坦化加上跨於全晶圓的整體階梯高度亦有明顯的降低，此又稱為均一性。表 18.1 62平坦化之定性定義平坦化之定性定義 e)全面平坦化 a)未平坦化 b)平滑化 c)部分平坦化 d)局部平坦化圖 18.2 63平坦化技术平坦化技术n局部平坦化局部平坦化的特点是在的特点是在一定范围一定范围的硅片表的硅片表面上面上实现平坦化实现平坦化，主要技术为，主要技术为旋涂玻璃旋涂玻璃（SOGSOG）法。）法。SOGSOG是一种相当于是一种相当于SiO2Si
46、O2的液相的液相绝缘材料，通过类似涂胶的工艺，将其有绝缘材料，通过类似涂胶的工艺，将其有效地填满凹槽以实现效地填满凹槽以实现局部平坦化局部平坦化。n全局平坦化全局平坦化则主要通过则主要通过化学机械抛光法化学机械抛光法（CMPCMP）来实现，其特点是来实现，其特点是整个硅片表面整个硅片表面上上介质层是平整的。介质层是平整的。641 1 旋涂玻璃法旋涂玻璃法n旋涂玻璃法旋涂玻璃法(SOG:Spin-On-Glass(SOG:Spin-On-Glass）nSOGSOG基本原理：把一种溶于溶剂内的介电材料以旋涂的基本原理：把一种溶于溶剂内的介电材料以旋涂的方式涂在晶片上。介电材料可以随着溶剂在晶片表面
47、流方式涂在晶片上。介电材料可以随着溶剂在晶片表面流动，填入凹槽内。动，填入凹槽内。nSOGSOG的优点：的优点：液态溶液覆盖，填充能力好。液态溶液覆盖，填充能力好。nSOGSOG的缺点：的缺点：(1)(1)易造成微粒，易造成微粒，主要来自主要来自SOGSOG残留物，可以通过工艺残留物，可以通过工艺和设备改善来减少。和设备改善来减少。(2)(2)有龟裂及剥离的现象，有龟裂及剥离的现象，通过对通过对SOGSOG材料本身与工艺材料本身与工艺的改进来避免的改进来避免 (3)(3)有残余溶剂有残余溶剂“释放释放”的问题的问题65nSOG的制造过程可以分为的制造过程可以分为涂布与固化涂布与固化两个阶段两个
48、阶段q涂布涂布是是将将SOG以旋涂的方式以旋涂的方式覆盖在覆盖在晶片的晶片的表面表面q固化固化以热处理的方法以热处理的方法,在高温下在高温下把把SOG内剩余的溶剂赶出内剩余的溶剂赶出,使使SOG的密度增加的密度增加,并固化为近似于并固化为近似于SiO2的结构的结构nSOG在实际应用上在实际应用上,主要是采用所谓的三明治结构主要是采用所谓的三明治结构:q以以SOG为主的平坦化内连线的介电层为主的平坦化内连线的介电层,事实上是由两层以事实上是由两层以CVD法沉积的法沉积的SiO2和和SOG法所覆盖的法所覆盖的SiO2等等三层介电层三层介电层所构成的所构成的,SOG被两层被两层CVD-SiO2所包夹
49、所包夹q制作这种介电层主要有制作这种介电层主要有“有回蚀有回蚀”及及“无回蚀无回蚀”两种方两种方法法66n下图是实际应用采用的结构，这一技术可以进行下图是实际应用采用的结构，这一技术可以进行制程线宽到制程线宽到0.50.5的沟填（的沟填（Gap FillGap Fill）与平坦化。）与平坦化。列有两种主要的列有两种主要的SOGSOG的平坦化流程。的平坦化流程。制程启始于晶片制程启始于晶片已完成第一层金已完成第一层金属层的蚀刻；属层的蚀刻；以以PECVDPECVD法沉法沉积第一层积第一层SiOSiO2 2 进行进行SOGSOG的涂的涂布与固化。布与固化。67紧接着，紧接着，SOGSOG的制程将分
50、为有的制程将分为有/无回蚀两种方式无回蚀两种方式 在有回蚀的在有回蚀的SOGSOG制程中，上完制程中，上完SOGSOG的晶片，将进行电浆干蚀的晶片，将进行电浆干蚀刻，以去除部分的刻，以去除部分的SOG SOG 然后再沉积第二层然后再沉积第二层PECVD SiOPECVD SiO2 2，而完成，而完成整个制作流程整个制作流程 至于至于“无加蚀无加蚀”的的SOGSOG制程，则在制程，则在晶片上完晶片上完SOGSOG之后，直接进行第二之后，直接进行第二层层PECVD SiOPECVD SiO2 2的沉积的沉积。682 2 化学机械抛光法化学机械抛光法n化学机械抛光化学机械抛光(研磨研磨)法法（CMP
