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金属化与平坦化

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半导体 第十三讲 金属化与平坦化

半导体 第十三讲 金属化与平坦化
的影响。平坦化就是将wafer表面起伏不平的介电层加以平
坦的工艺。经过平坦化处理的介电层，没有高低落差，在制
作金属线时很容易进行，而且光刻出的连线图形比较精确。
2
欧姆接触
加工成型的金属互连线与半导体之间由于功函数的差异
会形成一个势垒区。若只是简单的将金属和半导体连接在一 起，接触区就会出现整流效应，这种附加的单向导电性，使 得晶体管或集成电路不能正常工作。要使接触区不存在整流 效应，就是要形成欧姆接触，良好的欧姆接触应满足以下的
采用各种退火方法进行热退火，包括传统的烧结退火和 快速热退火，以便反应生产金属硅化物；
25
3.栓塞
多层金属布线使得金属
化系统中出现很多通孔，为
了保证两层金属间形成电通 路，这些通孔需要用金属塞 来填充。用于制作栓塞的材 料有很多种，但实用性较高，且已被集成电路制造广泛应用
的是钨塞和铝塞。
26
钨塞的制备有毯覆式金属钨淀积和选择性金属钨两种。 毯覆式金属钨淀积也叫反刻钨塞工艺，采用化学气相淀积法 生长钨薄膜后，将wafer上多余的钨刻蚀掉，是最广泛的制
方会出现空洞，金属连线变薄，极易引起断路，器件可靠性
较低。而在其它区域，由于原子的堆积会造成金属薄膜上出
现小丘，小丘短接会导致相邻的两条连线发生短路。器件工 作时，随着温度的增加，这两种缺陷会使铝的电迁移更加严 重，继而形成恶性循环 。 向铝中加入少量的铜（0.5%～4%），电迁移被有效
的抑制。但由于铜的抗腐蚀性较差，所以，金属反刻
接触区的整流特性严重退化，电压-电流的正反向特性趋于
一致，即由整流接触转化为欧姆接触。 势垒越窄，遂穿效应越明显，而势垒的宽度取决于半导 体的掺杂浓度，掺杂浓度越高，势垒越窄。因此，只要控制 好半导体的掺杂浓度，就可以得到良好的欧姆接触。

微电子工艺的流程

微电子工艺的流程

微电子工艺的流程
1. 硅片制备：
从高纯度的多晶硅棒开始，通过切割、研磨和抛光等步骤制成具有一定直径和厚度的单晶硅片（晶圆）。

2. 氧化层生长：
在硅片表面生长一层二氧化硅作为绝缘材料，这通常通过热氧化工艺完成。

3. 光刻：
使用光刻机将设计好的电路图案转移到光刻胶上，通过曝光、显影等步骤形成掩模版上的图形。

4. 蚀刻：
对经过光刻处理的硅片进行干法或湿法蚀刻，去除未被光刻胶覆盖部分的硅或金属层，形成所需的结构。

5. 掺杂：
通过扩散或离子注入技术向硅片中添加特定元素以改变其电学性质，如N型或P型掺杂，形成PN结或晶体管的源极、漏极和栅极。

6. 薄膜沉积：
包括物理气相沉积（PVD，如溅射）和化学气相沉积（CVD），用于在硅片上沉积金属互连、导体、半导体或绝缘介质层。

7. 平坦化：
随着制作过程中的多次薄膜沉积，可能需要进行化学机械平坦化（CMP）处理，确保后续加工时各层间的均匀性。

8. 金属化与互联：
制作金属连线层来连接不同功能区，通常采用铝、铜或其他低电阻金属，并利用过孔实现多层布线之间的电气连接。

9. 封装测试：
完成所有芯片制造步骤后，对裸片进行切割、封装以及质量检测，包括电气性能测试、可靠性测试等。

第7章 金属化

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。

金属化与平坦化

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.

金属和半导体形成低阻欧姆接触

金属和半导体形成低阻欧姆接触
13 – 16 5 10
21
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。
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：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 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
6
对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连
(2) 金属和半导体•形H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
1. 电阻率的减小：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。
18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
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合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低 阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
• 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
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解决方法： 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜

第八章金属化与平坦化

第八章金属化与平坦化
第八章 金属化与平坦化
1
金属化ห้องสมุดไป่ตู้
集成电路的各个组件制作完成后，需要按照设计要 求将这些组件进行相应的连接以形成一个完整的电路 系统，并提供与外电路相连接的接点，完成此项任务 的就是金属布线。
金属化就是在组件制作完成的器件表面淀积金属薄 膜，金属线在IC中传导信号，介质层则保证信号不受 临近金属线的影响。
对于多层电极系统，由于铜具有更低的电阻率，已在 逐步取代铝成为主要的互连金属材料。
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金属填充塞
多层金属布线使得金属化系统中出现很多通孔，为了 保证两层金属间形成电通路，这些通孔需要用金属塞来 填充。用于制作栓塞的材料有很多种，但实用性较高， 且已被集成电路制造广泛应用的是钨塞和铝塞。
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化学机械平坦化
2
金属化工艺的作用
3
金属铝互连
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金属铝互连
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金属铝互连
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金属铝互连系统中的失效与改进
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金属铜互连
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金属铜互连
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金属铜互连
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铜大马士革
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铝互连&铜互连
最早用于集成电路制造的金属就是铝，室温下，铝的 电阻率比铜、金、银的电阻率稍高，但是由于铜和银比较 容易腐蚀，在硅和二氧化硅中的扩散率太高，这些都不利 于它们用于集成电路的制造；另外，金和银的成本比铝高， 而且与二氧化硅的粘附性不好，所以，也不常用。铝则能 很容易的淀积在wafer上，而且刻蚀时分辨率较高，所以， 铝作为首选金属用于金属化。
24
旋涂膜层平坦化
25
化学机械平坦化（CMP）
传统的平坦化方法都只是局部化的平坦，如果是整 个平面的介电层平坦则通常采用化学机械抛光法来完成。

第18章 化学机械平坦化资料

第18章 化学机械平坦化资料
第十六章 化学机械平坦化
建立器件结构和多层内连线会很自 然的在层之间形成台阶，出现不平整的 硅片表面。层数增加时，硅片的表面起 伏将更加显著，可以看到一个单层金属 IC，用以说明硅片的表面起伏。
单层金属IC的表面起伏剖面
顶层
Poly n+ 金属化前氧化层 侧墙氧化层 栅氧化层
氮化硅
垫氧 ILD
n+
场氧化层
氧化硅
Metal
氧化硅 Poly Metal
p+
p+
p– 外延层
n-阱 Metal
p+ 硅衬底
多层金属化结构
非平坦化的IC剖面
平坦化的IC剖面
被平坦化的硅片拥有平滑的表面，填 充低的部分，或去掉高的部分是使硅片表 面平坦化的两种方法。在硅片上，可以进 行局部平坦化，也可以对包含所有芯片的 整个硅片表面进行全局平坦化。
旋涂的膜层材料是有机或无机的材料，包 括光刻胶、旋涂玻璃（SOG）和多种树脂。 旋涂后的烘烤蒸发掉溶剂，留下溶质填充低 处的间隙。
淀积了ILD-2氧化层的旋涂膜层
SOG
1)
ILD-1
烘烤后的SOG
2)IΒιβλιοθήκη D-1ILD-2淀积3)
ILD-1
16.2 化学机械平坦化
化学机械平坦化（CMP）是一种表面全局 平坦化技术，它通过硅片和一个抛光头之间的 相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头 之间有磨料，并同时施加压力。CMP设备也常 称为抛光机。
16.1 传统的平坦化技术
16.1.1 反刻
由表面图形形成的表面起伏可以用一层厚 的介质或其它材料作为平坦化的牺牲层来进 行平坦化，这一层牺牲层材料填充空洞和表 面的低处。然后用干法刻蚀技术刻蚀这一层 牺牲层，通过用比低处图形快的刻蚀速率刻 蚀掉高处的图形来使表面平坦化。这一工艺 称为反刻平坦化。

平坦化 工艺 步骤

平坦化 工艺 步骤

平坦化工艺步骤
平坦化工艺是指通过一系列的步骤来使表面变得平坦或者光滑。

在不同的行业和领域中，平坦化工艺都有着不同的步骤和方法。

以
下是一般情况下平坦化工艺的一些常见步骤：
1. 表面准备，首先需要对待处理的表面进行清洁和准备工作，
确保表面没有杂质、油脂或其他污染物。

2. 磨削，磨削是平坦化工艺中常见的步骤，通过磨削工具和磨
削材料对表面进行磨削，去除表面的不平整部分，使其变得平坦。

3. 研磨，研磨是在磨削之后进行的步骤，通过研磨工具和研磨
材料对表面进行进一步的加工，使其更加光滑。

4. 化学处理，有时候需要使用化学方法对表面进行处理，例如
酸洗、电镀等，以达到平坦化的效果。

5. 检测和修正，在完成上述步骤之后，需要对表面进行检测，
确保其达到了平坦化的要求，如果有不平整或瑕疵需要进行修正。

总的来说，平坦化工艺的步骤可以根据具体的材料和要求而有所不同，但通常都包括表面准备、磨削、研磨、化学处理和最终的检测和修正。

这些步骤的目的是为了使表面变得平坦、光滑，并且符合特定的要求和标准。

chap9-10解析

chap9-10解析

14
• （1）了解电迁移现象的物理机制
• （2）中值失效时间概念
• （3）改进电迁移的方法
•
结构的影响和“竹状”结构的选择；
•
AL-Cu合金(在Al中加入0.5～4％的Cu可
以降低铝原子在晶间的扩散系数。但同时电阻
率会增加！)和AL-Si-Cu合金；
•
三层夹心结构。
15
9.3 铜及低K介质
• 降低互连线延迟时间重要方法之一：使用
➢可以通过掺杂改变MS。如n-poly可以使VT下降1.1 V，
既工业界常用的双多晶栅dual-poly（n & p）工艺。 ➢多晶栅自对准技术，可以进一步提高集成度。
22
多晶硅栅自对准技术
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LDD(Lightly Doped Drain)＋spacer 多晶硅自对准技术
LDD工艺是CMOS集成电路进入亚微米后应用最广泛的技术， LDD结构是 用来降低MOS管源端和漏端在沟道的电场分布，以克服热载流子效应所造成的 I-V特性因长时间作用而漂移的问题。但是LDD结构在导电沟道两段的深度只有 20nm，这等于在源极和漏极 的两端形成了两个尖端，尖端放电现象即静电放电 (ESD) 便容易发生在LDD结构上，从而造成这种结构的抗静电能力较低。
接成为具有一定功能的电路模块。 • 接触材料：直接与半导体材料接触的材料，以及
提供与外部相连的连接点。 • 金属材料：除了常见AL、CU、Pt、W等以外，
还包括重掺杂多晶硅、金属硅化金属合金等金属 性材料。
3
9.1 集成电路对金属化材料特性的要求
对IC金属化系统的主要要求
电学、机械、热学、热力学及化学
26
金属硅化物作为接触材料
特点：类金属，低电阻率（<0.01多晶硅），高温

第11章 平坦化技术

第11章 平坦化技术
20
习题
• 试举例说明使用偏压溅射实现平坦化的原理 • 何为CMP？请描述CMP的工艺过程。
21
16
化学机械研磨(CMP)
➢ CMP技术的优点：
• 能获得全局平坦化。 • 对于各种各样的硅片表面都能平坦化。 • 可对多层材料进行平坦化。 • 减小严重的表面起伏，使层间介质和金属层平坦，可以实现更小的
设计图形，更多层的金属互连，提高电路的可靠性、速度和良品。 • 解决了铜布线难以刻蚀良好图形的问题。 • 通过减薄表层材料，可以去掉表面缺陷。 • CMP是湿法研磨，不使用干法刻蚀中常用的危险气体。 • CMP可以实现设备自动化、大批量生产、高可靠性和关键参数控制。
➢ 偏压溅射：在基板上加有电压的同时进行溅射薄膜的方法称为
偏压溅射。控制偏压大小，使元件表面的平面处的溅射沉积速 率与反溅射的刻蚀速率相等；而倾斜面的刻蚀速率大于沉积速 率，进而实现平坦化。
11
沉积的同时进行加工防止凹凸发生的薄膜生长
➢ 去除法：通过将填孔后不需要的部分去除掉来实现平坦化。
沉积所需 薄膜
左图：Si表面生 长多晶硅后用 CO2 离 化 团 束 辐 照前后的表面粗 糙度变化
19
大马士革法布线
➢ 定义：在金属、木材、陶瓷等中，按刻制的图形镶入金、 银、黄铜等的工艺，又称为镶嵌法布线。采用Cu-CMP的 大马士革镶嵌工艺是目前唯一成熟和已经成功用于IC制造 中的铜图形化工艺。
➢ 与传统布线法的区别主要是单层金属导线的制作方式不同：
15
化学机械研磨(CMP)
➢ 定义：通过比去除低处图形更快的速率去除高处图形以获得均
匀表面，是一种化学和机械作用相结合的平坦化过程。 • 化学作用：研磨液中的化学品和硅片表面发生化学反应，生

第7章 金属化

第7章 金属化

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。 金属化对不同金属连接有专门的术语名称。互连意 指由导电材料，如铝、多晶硅或铜制成的连线将电信号 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。接触是指硅芯片内的器件 与第一金属层之间在硅表面的连接。通孔是穿过各种介 质层从某一金属层到毗邻的另一金属层形成电通路的开 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。这些连接在下图中阐明。
7
7.2 金属类型
2．常用的金属化材料 (1)铝 与硅以及二氧化硅相同，铝是用于硅片制造中最主要的材料之一。 在制造硅片时，铝以薄膜的形式在硅片中连接不同器件。同时，铝是淀 积在硅片上的最厚的薄膜之一，第一层金属厚约5000Å。在硅片上，上 层非关键层（例如，具有焊接区的金属层）其厚度能达到 20000Å。 铝在20℃时具有2.65uΩ-cm的低电阻率，但比铜、金、银的电阻铝 稍高。然而铜和银都比较容易腐蚀，而且在氧化膜上附着不好。金在硅 片制造的初期有时被应用，但由于与硅的高接触电阻使得它需要有一层 铂作为过渡层。另一方面，铝能够很容易和氧化硅反应，加热形成氧化 铝（Al3O3），这促进了氧化硅和铝之间的附着。铝能够轻易淀积在硅片 上，可用湿法刻蚀而不影响下层薄膜。基于这些原因，铝作为首选的金 属应用与金属化。 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。

第7章 金属化

第7章 金属化
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。
11
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
5
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。

半导体工艺(第10章) 平坦化

半导体工艺(第10章) 平坦化
经涂布的介电材料可以随着溶剂而在晶片 表面流动，因此很容易填入晶片表面的凹 槽内。经过适当热处理，去除这些用来溶 解介电材料的溶剂以后，即完成平坦化；
➢ CMP是目前能提供超大规模集成电路制造 过程中全面平坦化的一种新技术；
➢ 对介电层的抛光的目的是去除光刻胶，并 使整个晶片表面均匀平坦，被去除的厚度 约为0.5~1μm；
平坦化
原因：多层布线
➢ 随着金属层表面而产生高低不平的介电层 沉积，因为沉积层不平坦，将使得接下来 的第二层金属层的光刻工艺在曝光聚焦上 有困难；
➢ 集成电路的多层布线势在必行，于是平坦 化也就成了新出现的一种工艺技术；
➢旋涂玻璃法（SOG）
➢化学机械抛光（CMP）
SOG是目前普遍采用的一种局部平坦化技 术，其原理类似于光刻胶旋涂，即把一种 溶于溶剂的介电材料以旋涂的方式涂布在 晶片上；
后果：
➢ 导致金属在靠近正极一端堆积，形成小丘 或晶须，而靠近负极一端则产生空洞。金 属的堆积会引起布线金属间的短路、空洞 则会引起布线金属开路；
金属化要求：
➢台阶覆盖（蒸发源射向晶片表面的金属会 在台阶的阴面和阳面产生很大的沉积速率 差，要求晶片阳面或阴面所得到的薄膜厚 度要一致，利用多源蒸发和旋转晶片）
பைடு நூலகம்要求：
➢ 满足电学性能，形成欧姆接触；
平坦化
➢ 把晶片表面起伏的电介质层加以平坦的一 种工艺技术；
➢ 经过平坦化处理的介电层，无悬殊的高低 落差，在制作第二层金属内连线时，很容 易进行；
欧姆接触
➢ 金属与半导体间的电压与电流关系具有线 性关系，接触电阻小，不产生明显的附加 阻抗；
布线技术
对布线互连线的要求
➢ 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；

半导体器件与工艺(11)

半导体器件与工艺(11)

金属类型
硅化物的形成通常要求把难熔金属淀积在硅片上，接着进行高 温退火处理以形成硅化物。通常热退火步骤在一个多腔集成设备中 使用快速热退火（RTA）处理。硅化物不是阻挡层金属，在一些硅化 物中发现，硅迅速地扩散穿过硅化物。扩散发生在金属-硅化物-硅 系统的热处理过程中，硅扩散穿过硅化物进人到金属中，这降低了 系统的完整性。解决这个问题的方法是在硅化物和金属化层之间淀 积一层金属阻挡层。
金属类型
通常用作阻挡层的金属是具有高熔点的难熔金属。在芯片 制造业中，用于多层金属化的普通难熔金属有钛（Ti）、钨 （W）、钽（Ta）、钼（Mo等。用钛作为阻挡层的优点是增强 铝合金连线的附着、减小接触电阻、减小应力和控制电迁徙。 为了得到好的阻挡特性，在淀积之前，硅片在真空腔经历了清 除硅片上的自然氧化层和氧化物残留物等步骤（溅射刻蚀）。 钛钨（TiW）和氮化钛（TiN）也是两种普通的阻挡层金属 材料，它们禁止硅衬底和铝之间的扩散。TiN 具有作为钨和铝 间阻挡层金属的功能，然而TiN和硅之间的接触电阻较高。为 了解决这个问题，在TiN被淀积之前，一薄层钛被淀积，这层 Ti能与下层的材料（如硅）反应从而降低它的电阻。
金属类型
对于铜互连，钽、氮化钽和氮硅钽（TaSiN）都是阻挡层 金属的待选材料。这个扩散阻挡层必须很薄。当几何尺寸不 断缩小时，要求金属被淀积进具有高深宽比的通孔。研究表 明，Ta对铜来说有很好的阻挡和附着特性。如果用TaN，则通 过注入少量氮气或淀积钽氮化合物来获得。铜可通过高密度 等离子体CVD（HDPCVD）或者离子化了的金属等离子体物理气 相淀积生长。就钽而言，离子化了的金属等离子体PVD取得了 好的台阶覆盖。如果淀积进入具有高深宽比的间隙，那么 HDPCVD阻挡层淀积常被选择。
金属类型

化学机械平坦化

化学机械平坦化

简单的说就是在晶片的表面保持平整平坦 的工艺。
随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸 缩小，要求晶片表面可接受的分辨率的平整度 达到纳米级 。传统的平面化技术，如选择淀 积、旋转玻璃法等，仅仅能够局部平面化技术 ，但是对于微小尺寸特征的电子器件，必须进 行全局平面化以满足上述要求。90年代兴起的 新型化学机械抛光技术则从加工性能和速度上 同时满足了硅片图形加工的要求，是目前几乎 唯一的可以提供全局平面化的技术。
由表面图形形成的表面起伏可以用一层厚 的介质或其它材料作为平坦化的牺牲层来进 行平坦化，这一层牺牲层材料填充空洞和表 面的低处。然后用干法刻蚀技术刻蚀这一层 牺牲层，通过用比低处图形快的刻蚀速率刻 蚀掉高处的图形来使表面平坦化。这一工艺 称为反刻平坦化。
反刻平坦化
平坦化的材料
不希望的起伏
光刻胶或SOG
铜 (软表面，高抛磨速率)
四、工艺参数及设备
为了更好控制抛光过程，需要详细了解 每一个CMP参数所起的作用以及它们之间微 妙的交互作用。然而影响化学作用和机械作 用的因素很多。因此在进行化学机械抛光时 要综合考虑上述各种因素，进行合理优化， 才能得到满意的结果。
(1) 抛光压力P
抛光压力对抛光速率和抛光表面质量影 响很大，通常抛光压力增加，机械作用增强 ，抛光速率也增加，但使用过高的抛光压力 会导致抛光速率不均匀、抛光垫磨损量增加 、抛光区域温度升高且不易控制、使出现划 痕的机率增加等，从而降低了抛光质量。
二．CMP技术的特点
CMP技术的优点：
1．能获得全局平坦化； 2．各种各样的硅片表面能被平坦化； 3．在同一次抛光过程中对平坦化多层材料有用； 4．允许制造中采用更严格的设计规则并采用更多 的互连层； 5．提供制作金属图形的一种方法。

化学机械平坦化

化学机械平坦化
• 金属钨磨料∶过氧化氢(H2O2)和氧化铝(Al2O3)或硅胶粉 末为研磨颗粒的溶液, (H2O2)分解成H2O和O2, O2和钨 反应生成氧化钨(WO3), 氧化钨比钨软, 所以钨被抛光.
• 金属铝磨料∶过氧化氢(H2O2)和氧化铝(Al2O3)或硅胶粉 末为研磨颗粒的溶液、硅胶粉末比氧化铝还要软、不会损 伤表面、广泛采用。
抛光时间 磨头压力
磨掉材料的数量 ·平整性 抛光速率 ·平坦化和均匀性
转盘速度
抛光速率 ·非均匀性
磨头速度
非均匀性
磨料化学成分 材料选择比 ·抛光速率
磨料流速
影响抛光垫上的磨料数量和设备的润滑性能
抛光垫修整
抛光速率 ·非均匀性 ·CMP工艺的稳定性
磨片 ·磨料温度 抛光速率
硅片背压
中央变慢 ·非均匀性 ·碎片
• V∶硅片和抛光垫的相对速度
• K∶与设备和工艺相关的常数, 包括氧化硅 的硬度, 抛光液和抛光垫 等参数
• 氧化硅抛光机理∶磨料中的水和氧化硅反应
金属抛光机理∶
在铜(Cu)CMP中, 铜被氧化成CuO 或CuO2或Cu （OH）2等, 氧 化物被颗粒磨去
最近的研究表明、金属的化 学氧化和氧化的金属层的分 解比对金属CMP更重要, 这 意味着磨料的化学特性是重 要的
相应的平坦化的电路图
Si衬底
第2层保护膜 第1层保护膜 第2层金属布线 层间绝缘膜2 层间接触通孔（金属） 第1层金属布线 层间绝缘膜1 淀积接触孔（金属） 金属布线 场氧区
侧壁氧化绝缘膜 栅极氧化绝缘膜
对比
Si衬底
Si衬底
硅片平坦化术语
1~10微米范围
化学机械平坦化的平整度
DP（%）＝（１－SHpost/SHpre）x100 SHpre:CMP之后某处最高和最低台阶的高度差 SHpost: CMP之前某处最高和最低台阶的高度差

纳米芯片工艺制造流程

纳米芯片工艺制造流程

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这包括确定芯片的架构、电路布局、晶体管数量等。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
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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 及三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝技术， 在铜应用与IC互连之前必须解决： 1. 铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有源区， 将会损坏器件。 2. 应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图 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，而这对于经济的干法刻蚀是必不可 少的。 3. 低温下（＜200℃）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。
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由于ULSI组件密度的增加，互连电阻和寄生电 容也会随之增加，从而降低了信号的传播速度。 减小互连电阻可通过用铜取代铝作为基本的导 电金属而实现。对于亚微米的线宽，需要低K 值层间介质（ILD）。通过降低介电常数来减 少寄生电容。
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IC互连金属化引入铜的优点
1. 电阻率的减小：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。 2. 功耗的减少：减小了电阻，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，这意味着需要更少的金 属层。 4. 良好的抗电迁移性能：铜不需要考虑电迁 徒问题。 5. 更少的工艺步骤：用大马士革 方法处理铜 具有减少工艺步骤 20％ to 30 %的潜力。
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

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
• 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， 这种现象称为金属电迁移 • 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
4. 抗电迁移
5. 在很薄的并且高温下具有很好的稳定性； 6. 抗侵蚀和氧化。
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Silicide Polycide Salicide

这三个名词对应的应用应该是一样的，都是利用硅 化物来降低连接电阻。但生成的工艺是不一样的
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硅化物 Silicide
Silicide就是金属硅化物，是由金属和 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 硅化物是一种具有热稳定性的金属化合 物，并且在硅 / 难熔金属的分界面具有低的 电阻率。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 要减小许多源漏和栅区硅接触的电阻。在铝 互连技术中，钛和钴是用于接触的普通难熔 金属。
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铝互连
Top Nitride
ILD-6
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
Metal-4 Via-4
ILD-5 ILD-4
Metal-3
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
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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接触。
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
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金属层和硅衬底形成什么接触？
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金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触， 也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂 浓度及金－半接触的势垒高度

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）。
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解决方法： 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜2～ 4％）合金。 铜原子在多晶状Al的晶粒边界处分凝，阻止 Al原子沿晶粒边界的运动。 优化版图设计，降低电流密度。
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3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
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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 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 TiSi2 形 成
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. 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 processes, 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.
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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。
Al/p-Si势垒高度 一般金属和P型半导体 0.4eV
的接触势垒较低

半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质 高复合欧姆接触
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
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常用的金属化材料

Leabharlann 1.Al 是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。 电阻率较低（ 20℃时具有2.65µΩ -cm ）；工艺 简单； 易形成低阻欧姆接触。
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金属和硅接触的问题--1.尖峰现象"spiking" problems
硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下 空洞 ,Al填充到空洞,引起短路
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解决spiking问题的方法

一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性 另一种方法是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )

自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。
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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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钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽 （Ta） 、氮化钽和钽化硅都是阻挡层金属的待选材料，阻 挡层厚度必须很薄（约 75 埃），以致它不影响具有高深宽 比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色。