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电子科大微电子工艺(第七章)金属化

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微电子工艺课件资料

微电子工艺课件资料

三、起始材料--石英岩（高纯度硅砂--SiO2）
1. SiO2+SiC→Si(s)+SiO(g)+CO(g) 冶金级硅：98%；
300oC
2. Si(s)+3HCl(g) →SiHCl3(g)+H2 三氯硅烷室温下呈液态沸点为32℃，利用分馏法去 除杂质；
3. SiHCl3(g)+ H2→Si(s)+ 3HCl(g) 得到电子级硅（片状多晶硅）。
Si：
• 含量丰富，占地壳重量25%；
• 单晶Si 生长工艺简单，目前直径最大18英吋 （450mm）
• 氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、 钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料；
• 易于实现平面工艺技术；
• 直径
二、对衬底材料的要求
• 导电类型：N型与P型都易制备；
• 晶向：Si:双极器件--<111>；MOS--<100>；
4. 放肩
缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40℃） ，让晶体逐 渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。
5. 等径生长
当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再 增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。 此时要严格控制温度和拉速。
6. 收晶
晶体生长所需长度后，升高熔体温度或熔体温度不变， 加快拉速，使晶体脱离熔体液面。
有效分凝系数
当结晶速度大于杂质在熔体中的扩散速度时，杂质在界面 附近熔体中堆积，形成浓度梯度。
按照分凝系数定义：
k0
Cs Cl (0)
由于Cl(0)未知，然而为了描述 界面粘滞层中杂质浓度偏离对固 相中的杂质浓度的影响，引入有效 分凝系数ke:

金属工艺学教学PPT

金属工艺学教学PPT

03
金属加工工艺
铸造工艺
铸造工艺基础
介绍铸造工艺的基本原理、铸 造材料、铸造设备及工装模具
等。
铸造工艺设计
学习铸造工艺方案制定、浇注 系统设计、冒口和冷铁设计等 。
铸造合金材料
了解常用铸造合金材料的性能 特点、应用范围及熔炼技术。
铸造缺陷与质量控制
分析铸造过程中常见的缺陷及 质量控制方法，提高铸造件质
金属工艺学的重要性
金属工艺学在现代工业制造中扮演着至关重要的角色，它涉 及到航空航天、汽车、船舶、能源、建筑、医疗器械等多个 领域，是实现从原材料到最终产品的关键环节。
金属工艺学的历史与发展
金属工艺学的起源
金属工艺学可以追溯到古代，人类最 早使用石头和骨头制作工具和武器， 后来逐渐掌握了炼铁和铜等金属的加 工技术。
VS
安全要求
实验室应配备必要的安全设施和防护用品 ，确保学生的人身安全和健康。学生在实 践过程中应按照指导教师的要求进行操作 ，如遇紧急情况应及时报告并采取相应措 施。
感谢您的观看
THANKS
金属工艺的创新与发展趋势
总结词
金属工艺的创新与发展趋势
创新点1
3D打印技术在金属工艺中的应用。
描述1
通过3D打印技术，可以实现金属零件的快速原型 制造，提高设计效率和生产灵活性。
金属工艺的创新与发展趋势
创新点2
01
金属表面处理技术的改进。
描述2
02
采用新型表面处理技术，如电镀、喷涂等，提高金属表面的美
观性和耐久性。
发展趋势1
03
数字化技术在金属工艺中的应用。
金属工艺的创新与发展趋势
01
描述3
利用数字化技术进行金属工艺设 计和优化，实现智能化制造和个 性化定制。

07微电子工艺基础金属淀积

07微电子工艺基础金属淀积

微电子工业基础
第 7章
金属淀积工艺
三、金属化的实现
2、真空蒸发淀积 （3）真空蒸发设备
① 蒸发源加热器 C 快速电炉蒸发
能 较 好 的 解决 合 金的蒸发问题。
微电子工业基础
第 7章
金属淀积工艺
三、金属化的实现
2、真空蒸发淀积 （3）真空蒸发设备
② 真空泵
真空泵用来产生低压，参见教材P280。
10-3托 - 10-5托：中度真空（通过机械泵获得） 10-5托 - 10-9托：高度真空（油扩散泵、分子泵） 10-9托 ：极高真空（离子泵）
微电子工业基础
第 7章
金属淀积工艺
二、VLSI对金属化的要求 二、VLSI对金属化的要求
5、难熔金属及其硅化物（续）
难熔金属常见的有Ti、W、Ta和Mo （P272） 难熔金属硅化物常见的有TiSi2、WSi2、TaSi2和MoSi2 所有的现代IC设计，尤其是MOS IC都使用难熔金属 及其硅化物作为连接柱、导电层。 难熔金属的一个广泛应用是在多层金属结构中填充 连接孔，这个工序叫作过孔填充，填补好的过孔叫 做接线柱。
第7章 金属淀积工艺
微电子工艺基础
第7章 金属淀积工艺
本章目标：
1、了解VLSI对金属化的要求 2、常见金属特性比较 3、Al-Si接触的常见问题及解决办法 4、金属化的实现
微电子工业基础
第7章 金属淀积工艺
一、基本概念 二、VLSI对金属化的要求 三、金属化的实现
微电子工业基础
第7章 金属淀积工艺
3、真空溅射淀积 （2）溅射优点
溅射淀积相对于蒸发淀积的优点：（P277最下）
① ② ③ ④
微电子工业基础
成分不变，适合于合金膜和绝缘膜的淀积； 改善台阶覆盖性，平面源相对于点源； 溅射形成的薄膜对表面的黏附性有一定提高； 容易控制薄膜特性。

微电子工艺之金属化

微电子工艺之金属化

四、 金属化的实现
③类型 直流溅射 磁控溅射 RF溅射 离子束溅射和反应金属
图8－5 平板型磁控溅射源示意图
由于在阴极面上存在极强的磁场，电子受洛伦茲力作用而被限制 在阴影区内，沿着类似摆线的轨迹运动（虚线），于是增加了电子 与气体的碰撞次数，增加了等离子体的密度，提高了溅射速率。
四、 金属化的实现
③改进电迁移的方法
a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。
b.Al-Cu(Al-Si-Cu)合金：Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界的扩 散系数。
c.三层夹心结构：两层Al之间加一层约500Å的金属过渡层。
六、 多层布线
多层布线是高集成度的必然。 第一层：基本单元布线； 第二层：单元之间电路布线； 介质：SiO2 ， P S G ,Al2O3 ，聚铣亚铵
散阻挡层。
第六章 金属化与多层互连技术
三、欧姆接触
1.定义：金属－相对于半导体主体或串联电阻，当半导体 接触处的接触电阻可以忽略不计时，称为欧姆接触。
2.三个重要的参数：
①功函数:费米能级与真空能级的能量差.
金属功函数- WM；半导体功函数－ WS。
②肖特基势垒高度Φb: Φb＝WM- ,
③接触电阻RC:RC=(dV/dJ)v=0
CMooSCi、）T、iN金）属合金（AuCu、CuPt、TiB2 、ZrB2 、TiC、
第六章 金属化与多层互连技术
二、集成电路对金属化的基本要求 1.对P＋、N＋或poly-Si形成低阻欧姆接触，即硅/金属接触
电阻越小越好； 2.提供低阻互连线，从而提高集成电路的速度； 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，即相互不扩散，即要求有一个扩

电子科大微电子工艺复习提纲

电子科大微电子工艺复习提纲

第三章 掺杂——离子注入
学习内容： 1. 离子注入概念及目的。 2. 离子注入工艺原理、参数及注入浓度分布。 3. 离子注入效应。 4. 离子注入设备。 5.离子注入的应用。 学习要求： 1. 掌握离子注入的概念及目的，与扩散工艺相比较离子注入
扩散的工艺目的主要是形成P－N结。结深是杂质扩散浓度 分布曲线与衬底掺杂浓度曲线的交点的位置。
6. 恒定表面源扩散杂质分布特征。 恒定表面源扩散，杂质分布满足余误差函数分布
a. 杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。 当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变
b. 扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内的杂质 总量就越多
答：a.栅氧化层，用作MOS管栅和源漏之间的介质。 b.场氧化层，用于同型MOS管之间的电隔离。 c.掺杂阻挡层，作为扩散或注入杂质到硅中的掩蔽材料。 d.注入屏蔽氧化层，用于减小注入沟道效应和注入损伤。 e.垫氧化层，做氮化硅缓冲层以减小应力。 f.阻挡层氧化层，保护有源器件和硅免受后续工艺的影响
答：(1)初始状态时已有0.1μm的氧化层 初始时间τ ＝ ( t2ox + Atox ) / B = 0.3 h 120τ分=0钟.3h氧代化入后，，得氧to化x=0硅.4总73厚um度：t2ox＋Atox＝B(t + τ)，t=2h， 120分钟氧化的SiO2厚度为：0.473-0.1=0.373um (2) 120分钟内水汽氧化中所消耗的硅的厚度 0.373 ×0.45＝0.168um
11. 已知线性－抛物线性模型为：t2ox＋Atox＝B(t + τ)。其中， tox为硅片上生长的SiO2总的厚度(μm)；B为抛物线速率系数 (μm2/h)；B/A为线性速率系数(μm/h)；τ为生成初始氧化层所 用的时间(h)。假如硅片在初始状态时已有100nm的氧化层。 计算 (1) 在120分钟内，920℃水汽氧化过程中生长的SiO2的厚 度。(2) 在120分钟内水汽氧化中所消耗的硅的厚度是多少？ 已知：在920℃下，A=0.50μm，B=0.20μm2/h。

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。

微电子工艺

微电子工艺

微电子工艺微电子工艺引论硅片、芯片的概念硅片：制造电子器件的基本半导体材料硅的圆形单晶薄片芯片：由硅片生产的半导体产品*什么是微电子工艺技术？微电子工艺技术主要包括哪些技术？微电子工艺技术：在半导体材料芯片上采用微米级加工工艺制造微小型化电子元器件和微型化电路技术主要包括：超精细加工技术、薄膜生长和控制技术、高密度组装技术、过程检测和过程控制技术等集成电路制造涉及的五个大的制造阶段的内容硅片制备：将硅从沙中提炼并纯化、经过特殊工艺产生适当直径的硅锭、将硅锭切割成用于制造芯片的薄硅片芯片制造：硅片经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤，一整套集成电路永久刻蚀在硅片上芯片测试/拣选：对单个芯片进行探测和电学测试，挑选出可接受和不可接受的芯片、为有缺陷的芯片做标记、通过测试的芯片将继续进行以后的步骤装配与封装：对硅片背面进行研磨以减少衬底的厚度、将一片厚的塑料膜贴在硅片背面、在正面沿着划片线用带金刚石尖的锯刃将硅片上的芯片分开、在装配厂，好的芯片被压焊或抽空形成装配包、将芯片密封在塑料或陶瓷壳内终测：为确保芯片的功能，对每一个被封装的集成电路进行电学和环境特性参数的测试IC工艺前工序、IC工艺后工序、以及IC工艺辅助工序IC工艺前工序：（1）薄膜制备技术：主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积(如溅射、蒸发) 等（2）掺杂技术：主要包括扩散和离子注入等技术（3）图形转换技术：主要包括光刻、刻蚀等技术IC工艺后工序：划片、封装、测试、老化、筛选IC工艺辅助工序：超净厂房技术超纯水、高纯气体制备技术光刻掩膜版制备技术材料准备技术微芯片技术发展的主要趋势提高芯片性能（速度、功耗）、提高芯片可靠性（低失效）、降低芯片成本（减小特征尺寸，增加硅片面积，制造规模）什么是关键尺寸（CD）？芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸，特别是硅片上的最小特征尺寸，也称为关键尺寸或CD半导体材料本征半导体和非本征半导体的区别是什么？本征半导体：不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%（8~10个9）为何硅被选为最主要的半导体材料？a) 硅的丰裕度——制造成本低b) 熔点高(1412 OC)——更宽的工艺限度和工作温度范围c) SiO2的天然生成GaAs相对Si的优点和缺点是什么？优点：a) 比硅更高的电子迁移率，高频微波信号响应好——无线和高速数字通信b) 抗辐射能力强——军事和空间应用c) 电阻率大——器件隔离容易实现主要缺点：a) 没有稳定的起钝化保护作用的自然氧化层b) 晶体缺陷比硅高几个数量级c) 成本高圆片的制备两种基本的单晶硅生长方法。

微电子工艺流程(PDF 44页)

微电子工艺流程(PDF 44页)
华中科技大学电子科学与技术系
5、去除氮化硅
• 将晶圆表面的氮化硅，利用干法刻蚀的方法 将其去除掉。
华中科技大学电子科学与技术系
6、P阱离子注入
• 利用离子注入的技术，将硼打入晶圆 中，形成P型阱。接着利用无机溶液， 如硫酸或干式臭氧（O3）烧除法将光刻 胶去除。
华中科技大学电子科学与技术系
7、P阱退火及氧化层的形成
3、淀积氮化硅
• 利用低压化学气相沉积（LPCVD）的技术， 沉积一层氮化硅，用来做为离子注入的mask 及后续工艺中，定义P型井的区域。
华中科技大学电子科学与技术系
4、P阱的形成
•将光刻胶涂在晶圆上之后，利用光刻技术， 将所要形成的P型阱区的图形定义出来，即将 所要定义的P型阱区的光刻胶去除掉。
1. 洁净室和清洗 2. 氧化和化学气相淀积 3. 光刻和腐蚀 4. 扩散和离子注入 5. 金属连接和平面化 三. 标准CMOS工艺流程
华中科技大学电子科学与技术系
1、初始清洗
• 初始清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的 方法将在晶圆表面的尘粒或杂质去除，防止这些杂初始 清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的方法 将在晶圆表面的尘粒或杂质去除，防止这些杂质尘 粒， 对后续的工艺造成影响，使得器件无法正常工作。
华中科技大学电子科学与技术系
18、利用氢氟酸去除电极区域的氧化层 • 除去氮化硅后，将晶圆放入氢氟酸化学
槽中，去除电极区域的氧化层，以便能 在电极区域重新成长品质更好的二氧化 硅薄膜，做为电极氧化层。
华中科技大学电子科学与技术系
19、电极氧化层的形成
• 此步骤为制做CMOS的关键工艺，利用 热氧化法在晶圆上形成高品质的二氧化 硅，做为电极氧化层。

半导体制造工艺教案金属化

半导体制造工艺教案金属化

授课主要内容或板书设计课堂教学安排教学过程主要教学内容及步骤6.1引言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。

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，容易制备出精细图形。

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）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。

微电子工艺之金属化

微电子工艺之金属化

五、铝硅接触
2.Al/Si接触的现象 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：400℃时，0.25wt%; 450℃时，0.5wt%;500℃时，0.8wt%。 ②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中大 40倍。 ③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 ④Al/Si接触的尖楔现象：
四、 金属化的实现
③类型 直流溅射 磁控溅射 RF溅射 离子束溅射和反应金属
图8－5 平板型磁控溅射源示意图
由于在阴极面上存在极强的磁场，电子受洛伦茲力作用而被限制 在阴影区内，沿着类似摆线的轨迹运动（虚线），于是增加了电子 与气体的碰撞次数，增加了等离子体的密度，提高了溅射速率。
第六章 金属化与多层互连技术
一、金属及金属性材料 1.按功能划分 ①MOSFET栅电极材料－MOSFET器件的组成部分，对器 件的性能起着重要的作用。 ②互连材料－将同一芯片的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，以及提供与 外部相连的接触点。 2.常用金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等 3.常压的金属性材料：掺杂的poly-Si、金属硅化物（PtSi、 CoSi）、金属合金（AuCu、CuPt、TiB2 、ZrB2 、TiC、 MoC、TiN）
四、 金属化的实现
2. 溅射淀积 ①定义：用核能离子轰击靶材，使靶材原子从耙表 面逸出，淀积在衬底材料上的过程。 被溅射材料称为靶材，作为阴极；而硅片作为阳 极接地。 ②机理：抽真空后充惰性气体，电子在电场加速下， 与惰性气体碰撞，产生惰性气体离子和更多电子， 而惰性气体离子打到靶材上时，溅射出耙原子则 淀积在阳极衬底上形成薄膜。

微电子器件及工艺课程设计工艺部分

微电子器件及工艺课程设计工艺部分
晶体管的结构
双极晶体管结构及版图示意图
自对准双多晶硅双极型结构
课程设计要求
制造目标：发射区、基区、收集区的掺杂浓度； 发射结及收集结的结深；基区宽度；收集结及 发射结的面积
总体制造方案：清洗→氧化→光刻（光刻基区）→硼预扩散→ 硼再扩散（基区扩散） → 去氧化膜→ 氧化工艺→光刻（光刻 发射区）→磷预扩散→磷再扩散（发射区扩散） → 去氧化膜 → 沉积保护层→光刻（光刻接触孔）→金属化→光刻（光刻接 触电极）→参数检测
t3>t2>t1
中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶 C(x,t) 度Cs。
t1
• 解扩散方程：
Cs
C 2C
t2
t D x2
t3
• 初始条件为：C(x，0)=0，x>0
• 边界条件为：C(0，t)=Cs
CB
C(∞，t)= 0
恒定表面源扩散杂质分布情况
x
0
xj1 xj2 xj3
Cx,tCserfc
x 2
有限表面源扩散
• 指杂质源在扩散前积累于硅片表
面薄层δ内， Q为单位面积杂质
总量，解扩散方程：
边界条件:C(x,0)=Q/δ , 0<x<δ
Cx,0dx Q
0
C(∞,t)=0 初始条件：C(x,0)=0, x>0
C(x,t) Cs Cs’ Cs”
t3>t2>t1 t1
t2 t3
有限表面源扩散杂质分布情况
二氧化硅薄膜的掩蔽效果与厚度及其膜层质量、杂质在SiO2中的扩散系数有 关，还与SiO2和硅衬底中的杂质浓度、杂质在衬底中的扩散系数以及杂质在 衬底与SiO2界面的分凝系数等因素有关。
○ 考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度约为6000埃（氧化温度1100℃左右），发射区氧化层 厚度约为7000埃，采用干氧－湿氧－干氧工艺。

电子科大微电子工艺(第七章)金属化资料

电子科大微电子工艺(第七章)金属化资料


先进的45nm工艺的集成电路中互连线最细线宽 45nm，而互连总长度达到5公里量级！

电路中互连引入的延迟超过了器件延迟，互连成 了限制集成电路速度的主要因素。

铜的优点 电流大
1. 电阻率更低（1.678μΩ•cm）使相同线宽传导的 2. 降低动态功耗：由于RC延迟减小 3. 更高的集成度：由于线宽减小

常用的阻挡层金属 1. Ti＋TiN 2. Ta＋TaN（主要用于铜布线）
硅化物 硅化物是在高温下难熔金属（通常是钛Ti、钴Co） 与硅反应形成的金属化合物（如TiSi2、CoSi2 ） 硅化物的作用 1. 降低接触电阻 2. 作为金属与Si接触的粘合剂。

硅化物的基本特性 1. 电阻率低 （Ti：60 μΩ•cm ， TiSi2 ：13～17μΩ•cm ） 2. 高温稳定性好，抗电迁徙性能好 3. 与硅栅工艺的兼容性好

传统布线工艺 与双大马士革工艺的差别

双大马士革铜金属化工艺流程
阻挡层金属 阻挡层金属的作用 1. 提高欧姆接触的可靠性； 2. 消除浅结材料扩散或结尖刺； 3. 阻挡金属的扩散（如铜扩散） 阻挡层金属的基本特性 1. 有很好的阻挡扩散特性 2. 低电阻率具有很低的欧姆接触电阻 3. 与半导体和金属的粘附性好，接触良好 4. 抗电迁徙 5. 膜很薄且高温下稳定性好 6. 抗腐蚀和氧化

解决结穿刺问题的方法：
1. 采用铝－硅（1~2%）合金或铝－硅（1~2%）－ 铜（2~4%）合金替代纯铝； 2. 引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。

电迁徙现象当金属线流过大电流密度的电流时， 电子和金属原子的碰撞引起金属原子的移动导致 金属原子的消耗和堆积现象的发生，这种现象称 为电迁徙现象。

微电子工艺之金属化.26页PPT

微电子工艺之金属化.26页PPT
微电子工艺之金属化.
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
END

第五讲：金属化工艺

第五讲：金属化工艺

为400～600nm。
阻挡层金属
铜
Figure 12.7
阻挡层金属在半导体工业中被广泛应用。为 了连接铝互连金属和硅源漏之间的钨填充薄膜接 触，阻挡层金属阻止了硅和钨互相进入接触点， 也阻止了钨和硅的扩散以及任何结尖刺。可接受 的阻挡层金属的基本特征：
1. 有很好的阻挡扩散作用； 2. 高导电率具有很低的欧姆接触电阻； 3. 在半导体和金属之间有很好的附着； 4. 抗电迁徒； 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。
电阻率 (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
Table 12.1
在硅片制造业中 各种金属和金属合金可组成下列种类
•铝 • 铝铜合金 •铜 • 阻挡层金属 • 硅化物 • 金属填充塞
金属铝
在半导体制造业中，最早的互连金属是铝， 目前在VLSI以下的工艺中仍然是最普通的互连金 属。在21世纪制造高性能IC工艺中，铜互连金属 有望取代铝。然而，由于基本工艺中铝互连金属 的普遍性， 所以选择铝金属化的背景是有益的。
• 双大马士革铜互连和填充薄膜
0.25 0.18 0.13
m
m m
0 +21% +93%
-10%
-27%
-16%
Table 12.2
铝和铜之间特性和工艺的比较
特性/工艺 电阻率 (-cm) 抗电迁徒 空气中抗侵蚀 CVD 工艺 CMP 化学机械平坦化工艺
Al 2.65 (3.2 for Al-0.5%Cu) Low
如果难熔金属和多晶硅反应。那么它被称为 多晶硅化物（见下图）。掺杂的多晶硅被用作栅 电极，相对而言它有较高的电阻率（约500µΩ-cm ），正是这导致了不应有的RC信号延迟。多晶硅 化物对减小连接多晶硅的串联导致是有益的，同 时也保持了多晶硅对氧化硅好的界面特性。

IC工艺技术8-金属化

IC工艺技术8-金属化

纯铝系统缺点
• • • • • • 电迁移现象比较严重 铝能在较低温度下再结晶产生小丘 金和铝键合产生紫斑，降低可靠性 软，易擦伤 多层布线中，铝－铝接触不理想 铝－硅合金化时形成尖刺
电迁移现象
• 电流携带的电子把动量转移给导电的金属 原子，使其移动，金属形成空洞和小丘
电迁移现象
MTF=AJ-n exp[-EA/kT]
蒸发原理－蒸汽压曲线
蒸发原理－淀积速率
Rd=(M/2k2)1/2(p/T1/2) (A/4r2) 其中
P－蒸汽压 －密度 A－坩埚面积
r

淀积材料
溅射原理－离子轰击表面
反射离子与中性粒子 入射离子 二次电子 溅射原子
表面
溅射原理－入射离子能量和产额
溅射原理－轰击离子原子序数和产额
溅射刻蚀（反溅射）
• 在正式溅射前，改变衬底电位，可使衬 底被溅射，铝或硅上残留氧化层和沾污 被去除，使金属和金属，硅和金属接触 良好．
溅射工艺参数
• • • • • ANELVA1013设备，溅射Al-Si-Cu Pressure 8 mTorr SP Power 12kw Heat Temperature 150°C Time 79min
n+
n+
背面金属化
• • • • • • 背面金属化的目的 背面减薄后金属化 金属化系统 Cr-Au, Cr-Ni-Au, Ti-Ni-Au, Ti-Ni-Ag, V-Ni-Au, V-Ni-Ag,
倒装焊 (Flip Chip)
PbSn凸点 Cu or Au SiO2
Al
倒装焊 (Flip Chip)
溅射膜台阶覆盖
溅射膜晶粒结构
淀积膜的应力
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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。
阻挡层金属的作用
1. 提高欧姆接触的可靠性； 2. 消除浅结材料扩散或结尖刺； 3. 阻挡金属的扩散（如铜扩散） 阻挡层金属的基本特性
1. 有很好的阻挡扩散特性 2. 低电阻率具有很低的欧姆接触电阻 3. 与半导体和金属的粘附性好，接触良好 4. 抗电迁徙 5. 膜很薄且高温下稳定性好 6. 抗腐蚀和氧化
解决结穿刺问题的方法：
1. 采用铝－硅（1~2%）合金或铝－硅（1~2%）－ 铜（2~4%）合金替代纯铝；
2. 引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。
电迁徙现象当金属线流过大电流密度的电流时， 电子和金属原子的碰撞引起金属原子的移动导致 金属原子的消耗和堆积现象的发生，这种现象称 为电迁徙现象。 电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近的 金属线短路。 纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发生 电迁徙现象。
第七章 金属化
7.1 引 言
金属化是芯片制造过程中在绝缘介质膜上淀积金属 膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和集成电 路的孔填充塞的过程。金属化是化学气相淀积、溅 射、光刻、刻蚀、化学机械平坦化等单项工艺的工 艺集成。
接触孔
金属化连接
芯片金属化技术术语
1. 互连指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用以 传输电信号
2. 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
3. 通孔是穿过各层介质层从某一金属层到相邻的另一 金属层形成电通路的开口
4. 填充薄膜是指金属薄膜填充通孔以便在两层金属层 之间形成电连接。
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。
集成电路金属化技术常用的金属种类 ➢铝 ➢ 铝铜合金 ➢铜 ➢ 阻挡层金属 ➢ 硅化物 ➢ 金属填充塞
控制纯铝电迁徙现象的办法是采用铝－铜（0.5~4%） 合金替代纯铝
电迁徙现象的SEM照片
电迁徙
铜
在深亚微米IC制造中， RC延迟是一个突出问题 随着集成电路的集成度不断提高、关键尺寸不断减 小、电路性能不断增强，在现代先进的IC制造技术 中采用了铜互连技术。在深亚微米技术中铜互连将 取代铝互连，一个重要的原因就是减小金属线的寄 生电阻和相邻金属线间的寄生电容以减小RC延迟 提高电路速度。
大马士革工艺 大马士革是叙利亚的一个城市名，早期大马士革的
一位艺术家发明了在金银首饰上镶嵌珠宝的工艺， 该工艺被命名为大马士革。集成电路的铜布线技术 和大马士革工艺相似。
传统Al布线工艺与大马士革Cu工艺的差别
传统布线工艺 与双大马士革工艺的差别
双大马士革铜金属化工艺流程
阻挡层金属
常用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
先进的45nm工艺的集成电路中互连线最细线宽 45nm，而互连总长度达到5公里量级！
电路中互连引入的延迟超过了器件延迟，互连成 了限制集成电路速度的主要因素。
铜的优点 1. 电阻率更低（1.678μΩ•cm）使相同线宽传导的
电流大 2. 降低动态功耗：由于RC延迟减小 3. 更高的集成度：由于线宽减小 4. 可靠性高：有良好的抗电迁徙性能 5. 更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少20％～
30％ 6. 易于淀积（铜CVD、电镀铜） 7. 铜的成本低
铜的缺点 1. 不能干法刻蚀铜 2. 铜在硅和二氧化硅中扩散很快，芯片中的铜杂质
沾 污使电路性能变坏 3. 抗腐蚀性能差，在低于200℃的空气中不断被氧化 克服铜缺点的措施 1. 采用大马士革工艺回避干法刻蚀铜 2. 用金属钨做第一层金属解决了电路底层器件的铜 沾污
常用的阻挡层金属 1. Ti＋TiN 2. Ta＋TaN（主要用于铜布线）
硅化物
硅化物是在高温下难熔金属（通常是钛Ti、钴Co） 与硅反应形成的金属化合物（如TiSi2、CoSi2 ） 硅化物的作用
1. 降低接触电阻 2. 作为金属与Si接触的粘合剂。
硅化物的基本特性 1. 电阻率低 （Ti：60 μΩ•cm ， TiSi2 ：13～17μΩ•cm ） 2. 高温稳定性好，抗电迁徙性能好 3. 与硅栅工艺的兼容性好
化温度450～500℃） 4. 易于淀积成膜 5. 易于光刻和刻蚀形成微引线图形
6. 抗腐蚀性能好，因为铝表面总是有一层抗腐蚀性 好的氧化层（Al2O3）
7. 铝的成本低
铝的缺点 1. 纯铝与硅的合金化接触易产生PN结的穿通现象 2. 会出现电迁徙现象
结穿通现象在纯铝和硅的界面加热合金化过程中 （通常450～500℃） ，硅将开始溶解在铝中直到它 在铝中的浓度达到0.5％为止，硅在铝中的溶解消耗 硅且由于硅界面的情况不同，就在硅中形成空洞造 成PN穿通现象的发生。结穿通引起PN结短路。
集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率
金属化工艺 物理气相淀积（PVD） 化学气相淀积（CVD）
金属淀积系统 1. 蒸发 2. 溅射 3. 金属CVD 4. 铜电镀
7.2 金属化技术
铝 铝的优点 1. 电阻率低（2.65μΩ•cm） 2. 与硅和二氧化硅的粘附性好 3. 与高掺杂的硅和多晶硅有很好的欧姆接触（合金