半导体制造工艺 教学课件 作者 张渊 第6章　金　属　化.ppt

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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

2、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

3、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

4、，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(20°C)表6-1　硅和各种金属材料的熔点和电阻率(20°C)6.2　金属化类型6.2.2　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

5、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。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

6、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

7、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

8、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