半导体制造技术 西安交通大学微电子技术教研室 刘润民 第十三章 属化
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 半导体制造技术 西安交通大学微电子技术教研室 刘润民 第十三章 金属化
概述 金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上 淀积金属薄膜,通过光刻形成互连金属线和集成 电路的孔填充塞的过程。金属线被夹在两个绝缘 介质层中间形成电整体。高性能的微处理器用金 属线在一个芯片上连接几千万个器件,随着互连 复査性的相应增加,预计将来每个芯片上晶体管 的密度将达到10亿个。 由于USI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。 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 概 述 金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上 淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线和集成 电路的孔填充塞的过程。金属线被夹在两个绝缘 介质层中间形成电整体。高性能的微处理器用金 属线在一个芯片上连接几千万个器件，随着互连 复查性的相应增加，预计将来每个芯片上晶体管 的密度将达到10亿个。 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
目标 通过本章学习,将能够: 1.解释金属化; 2.列出并描述在芯片制造中的6种金属,讨论它们的 性能要求并给出每种金属的应用; 3.解释在芯片制造过程中使用金属化的优点,描述 应用铜的挑战; 4.叙述溅射的优点和缺点; 5.描述溅射的物理过程,讨论不同的溅射工具及其 应用; 6.描述金属CVD的优点和应用; 7解释铜电镀的基础; 8.描述双大马士革法的工艺流程 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 目 标 通过本章学习，将能够： 1. 解释金属化； 2. 列出并描述在芯片制造中的6种金属，讨论它们的 性能要求并给出每种金属的应用； 3. 解释在芯片制造过程中使用金属化的优点，描述 应用铜的挑战； 4. 叙述溅射的优点和缺点； 5. 描述溅射的物理过程，讨论不同的溅射工具及其 应用； 6. 描述金属CVD的优点和应用； 7. 解释铜电镀的基础； 8. 描述双大马士革法的工艺流程
引言 芯片金属化是应用化学或物理处理方法在芯片 上淀积导电金属膜的过程。这一过程与介质的淀积 紧密相关,金属线在IC电路中传输信号,介质层则 保证信号不受邻近金属线的影响。 金属化对不同金属连接有专门的术语名称。互 连( Interconnect)意指由导电材料(铝、多晶硅或 铜)制成的连线将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( contact)意指硅芯片内的器件与第 层金属之间在硅表面的连接。通孔(via)是穿过 各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层之间 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。 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 引 言 芯片金属化是应用化学或物理处理方法在芯片 上淀积导电金属膜的过程。这一过程与介质的淀积 紧密相关，金属线在IC电路中传输信号，介质层则 保证信号不受邻近金属线的影响。 金属化对不同金属连接有专门的术语名称。互 连（interconnect）意指由导电材料（铝、多晶硅或 铜）制成的连线将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（contact）意指硅芯片内的器件与第一 层金属之间在硅表面的连接。通孔（via）是穿过 各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层之间 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
多层金属化 金属互连结构 竖多?复合金属互连 具有钨塞的通孔互连结构 层间了 T:了 局部互连(钨) 感/N 初始金属接触 亚025 um CMOs剖面 在硅中扩散 的有源区 半导体制造技术 Figure 12.1 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 多层金属化 层间介质 金属互连结构 在硅中扩散 的有源区 亚0.25µm CMOS 剖面 具有钨塞的通孔互连结构 复合金属互连 局部互连（钨） 初始金属接触 Figure 12.1
层间介质(ID)是绝缘材料,它分离了金属 之间的电连接。ⅡD一旦被淀积,便被光刻成 图形、刻蚀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。在一个芯片上有许多通孔,据估计, 个300mm2单层芯片上的通孔数达到一千亿个 。在一层LD中制造通孔的工艺,在芯片上的 每一层都被重复。 金属化正处在一个过渡时期,随着铜冶金术的 介入正经历着快速变化以取代铝合金。这种变 化源于刻蚀铜很困难,为了克服这个问题,铜 冶金术应用双大马士革法处理,以形成通孔和 铜互连。这种金属化过程与传统金属化过程相 反(见下图)。 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda • 层间介质（ILD）是绝缘材料，它分离了金属 之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被光刻成 图形、刻蚀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。在一个芯片上有许多通孔，据估计，一 个300mm2单层芯片上的通孔数达到一千亿个 。在一层ILD中制造通孔的工艺，在芯片上的 每一层都被重复。 • 金属化正处在一个过渡时期，随着铜冶金术的 介入正经历着快速变化以取代铝合金。这种变 化源于刻蚀铜很困难，为了克服这个问题，铜 冶金术应用双大马士革法处理，以形成通孔和 铜互连。这种金属化过程与传统金属化过程相 反（见下图）
传统和大马士革金属化比较 传统互连流程 双大马士革流程 覆盖ⅡD层和CMP 覆盖ⅡD层和CMP 氮化硅刻蚀终止层 (光刻和刻蚀) 氧化硅通孔2刻蚀 第二层ID淀积和穿过 两层氧化硅刻蚀 钨淀积+CMP 了图 铜填充 金属2淀积+刻蚀 铜CMP 半导体制造技术 Figure 12.2 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 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 Figure 12.2
铜金属化 7(cu) PASSIVATION 3 PASSIVATION 2 PASSIVATION 1 METAL 6(Cu) lETAL 5(CU)AA METAL 4(Cu) 可凵 METAL 2(Cu) METAL 1(w) 半导体制造技术 Photo 12.1 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 铜金属化 Photo 12.1
金属类型 以提高性能为目的,用于芯片互连的金属和金属 合金的类型正在发展,对一种成功的金属材料的 要求是: 1.导电率:要求髙导电率,能够传道高电流密度 2.黏附性:能够黏附下层衬底,容易与外电路实现电连接 3.淀积:易于淀积经相对低温处理后具有均匀的结构和组分 4.刻印图形伻平坦化:提供高分辨率的光刻图形 5.可靠性:经受温度循环变化,相对柔软且有好的延展性 6.抗腐蚀性:很好的抗腐蚀性,层与层以及下层器件区有最 小的化学反应。 7.应力:很好的抗机械应力特性,以便减少硅片的扭曲和材 料的失效。 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 以提高性能为目的，用于芯片互连的金属和金属 合金的类型正在发展，对一种成功的金属材料的 要求是： 1. 导电率: 要求高导电率，能够传道高电流密度。 2. 黏附性：能够黏附下层衬底，容易与外电路实现电连接 3. 淀积：易于淀积经相对低温处理后具有均匀的结构和组分 4. 刻印图形/平坦化：提供高分辨率的光刻图形 5. 可靠性：经受温度循环变化，相对柔软且有好的延展性 6. 抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，层与层以及下层器件区有最 小的化学反应。 7. 应力：很好的抗机械应力特性，以便减少硅片的扭曲和材 料的失效。 金属类型
硅和硅片制造业中所选择的金属(at20°C) 材料 熔点(C) 电阻率 (uQ2-cm) 硅(Si) 1412 ≈10 掺杂的多晶硅 1412 ≈500-525 铝(A) 660 265 铜(Cu) 1083 1678 钨(W) 3417 钛(T 1670 钽(Ta) 2996 16 钼(Mo) 2620 铂(Pt) 1772 半导体制造技术 Table 12.1 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C) 材料 熔点(C) 电阻率 (-cm) 硅 (Si) 1412 109 掺杂的多晶硅 1412 500 – 525 铝 (Al) 660 2.65 铜 (Cu) 1083 1.678 钨 (W) 3417 8 钛 (Ti) 1670 60 钽 (Ta) 2996 13 – 16 钼(Mo) 2620 5 铂 (Pt) 1772 10 Table 12.1