金属和半导体形成低阻欧姆接触课件

金属化与平坦化金属化与平坦化1金属化与平坦化1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。2概述金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金属线连接起互连金属互连金属3互连金属344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（OhmicContact）n2.肖特基肖特基接触接触（SchottkyBarrierContact）n3.低阻栅低阻栅电极电极（GateElectrode）n4.器件间器件间互联互联（interconnect）55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:Inner LayerInner 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，形成通孔填充薄膜。）填充通孔，形成通孔填充薄膜。6金属化的几个术语6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 density7对IC金属化系统的主要要求(1)低阻互连HighspeEarly structures were simple Al/Si contacts.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。8EarlystructuresweresimpleA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？9金属层和硅衬底形成什么接触？9 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 metalSchottkyContactn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，且接触特性，且接触电阻很小；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；10HeavilydopedN+SimetalOhmic1111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 0.4eV0.4eV12形成欧姆接触的方式Al/N-Si势垒高度0.7eV半导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。13常用的金属化材料1.Al13铝互连铝互连14铝互连14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 problems15金属和硅接触的问题-硅不均解决解决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 TiSi TiSi2 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16解决spiking问题的方法一种方法是在Al中掺入1-2%2.铝的电迁移铝的电迁移当当直直流流电电流流流流过过金金属属薄薄膜膜时时，导导电电电电子子与与金金属属离离子子将将发发生生动动量量交交换换，使使金金属属离离子子沿沿电电子子流流的的方方向向迁迁移移，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172.铝的电迁移当直流电流流过金属薄膜时，n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。18解决方法：183.Al 3.Al 与二氧化硅的反应与二氧化硅的反应4Al+3SiO22Al2O3+3Si会会使使铝铝穿穿透透下下面面的的SiO2绝绝缘缘层层，导导致致电电极极间间的短路失效。的短路失效。193.Al与二氧化硅的反应4Al+3SiO22Al2O3合金化合金化n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阻形成低阻欧姆接触欧姆接触，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20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 20C)(at 20C)21硅和硅片制造业中所选择的金属(at20C)21n由于铝的低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-Cu(0.5%)Al-Si-Cu(0.5%)合金是最常使用的连线金属合金是最常使用的连线金属铝铜合金铝铜合金22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ICn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。23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，ICIC互连金属化引入铜的优点互连金属化引入铜的优点1.1.电电阻阻率率的的减减小小：互互连连金金属属线线的的电电阻阻率率减减小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.更更高高的的集集成成密密度度：更更窄窄的的线线宽宽，允允许许更更高高密密度度的的电电路路集集成成，这这意意味味着着需需要要更更少少的的金金属层。属层。4.4.良良好好的的抗抗电电迁迁移移性性能能：铜铜不不需需要要考考虑虑电电迁迁徒问题。徒问题。5.5.更更少少的的工工艺艺步步骤骤：用用大大马马士士革革 方方法法处处理理铜铜具有减少工艺步骤具有减少工艺步骤 20 20 to 30%to 30%的潜力。的潜力。24IC互连金属化引入铜的优点1.电阻率的减小：互连金属线的电对铜的挑战对铜的挑战与与传传统统的的铝铝互互连连比比较较，用用铜铜作作为为半半导导体体互互连连主主要要涉涉及及三三个个方方面面的的挑挑战战，这这些些挑挑战战明明显显不不同同于于铝铝技技术术，在在铜应用与铜应用与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，铜不能容易形成图形。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。副产物，而这对于经济的干法刻蚀是必不可少的。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。25对铜的挑战与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互阻挡层金属阻挡层金属铜铜 铜铜在在硅硅和和二二氧氧化化硅硅中中都都有有很很高高的的扩扩散散率率，这这种种高高扩扩散散率率将将破破坏坏器器件件的的性性能能。可可淀淀积积一一层层阻阻挡挡层层金金属属，作作用用是是阻阻止止层层上上下下的的材材料料互互相相混混合合（见见下下图图）。其其厚厚度度对对0.25m0.25m工工艺艺来来说说为为100nm100nm；对对0.35m0.35m工工艺艺来来说说为为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。26阻挡层金属铜铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种钽钽作作为为铜铜的的阻阻挡挡层层金金属属：对对于于铜铜互互连连冶冶金金术术来来说说，钽钽（TaTa）、氮氮化化钽钽和和钽钽化化硅硅都都是是阻阻挡挡层层金金属属的的待待选选材材料料，阻阻挡挡层层厚厚度度必必须须很很薄薄（约约7575埃埃），以以致致它它不不影影响响具具有有高高深深宽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27钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽（Ta）、氮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。28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；2Silicide 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29SilicidePolycideSalicide这三个名硅化物硅化物 Silicide Silicide就就是是金金属属硅硅化化物物，是是由由金金属属和和硅硅经经过过物物理理化化学学反反应应形形成成的的一一种种化化合合态态，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硅化化物物是是一一种种具具有有热热稳稳定定性性的的金金属属化化合合物物，并并且且在在硅硅/难难熔熔金金属属的的分分界界面面具具有有低低的的电电阻阻率率。在在硅硅片片制制造造业业中中，难难熔熔金金属属硅硅化化物物是是非非常常重重要要的的，因因为为为为了了提提高高芯芯片片性性能能，需需要要减减小小许许多多源源漏漏和和栅栅区区硅硅接接触触的的电电阻阻。在在铝铝互互连连技技术术中中，钛钛和和钴钴是是用用于于接接触触的的普普通通难难熔熔金属金属。30硅化物SilicideSilinPolycide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区下面对这两个流程的区别简述如下：别简述如下：31Polycide和Salicide则是分别指对着不同的形成S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。掺杂的多晶硅掺杂的多晶硅被用作被用作栅电极栅电极，相对而言它，相对而言它有有较高的电阻率较高的电阻率（约（约500-cm），正是这导致了），正是这导致了不应有的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晶硅连接多晶硅的串联的串联电阻是有益的电阻是有益的32多晶硅上的多晶硅化物Polycide钛多晶硅化物钛硅化物多nPolycide Polycide：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-(POLY-SISI），然后），然后在在POLYPOLY上上继续继续生长金属硅化物生长金属硅化物（silicidesilicide），），其一般为其一般为 WSi2 WSi2（硅化钨）（硅化钨）和和 TiSi2 TiSi2（硅化钛）薄膜，然后（硅化钛）薄膜，然后再进行栅再进行栅极刻蚀极刻蚀和和有源区注入有源区注入等其他工序，完成整个等其他工序，完成整个芯片制造。芯片制造。33Polycide：其一般制造过程是，栅氧化层完成以后，继续自对准硅化物自对准硅化物 saliciden由由于于在在优优化化超超大大规规模模集集成成电电路路的的性性能能方方面面，需需要要进进一一步步按按比比列列缩缩小小器器件件的的尺尺寸寸，因因此此在在源源/漏漏和和第第一一金金属属层层之之间间电电接接触触的的面面积积是是很很小小的的。这这个个小小的的接接触触面面积积将将导导致致接接触触电电阻阻增增加加。一一个个可可提提供供稳稳定定接接触触结结构构、减减小小源源/漏漏区区接接触触电电阻阻的的工工艺艺被被称称为为自自对对准准硅硅化化物物技技术术。它它能能很很好好地地与与露露出出的的源源、漏漏以以及及多多晶晶硅硅栅栅的的硅硅对对准准。许许多多芯芯片片的的性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。34自对准硅化物salicide由于在优化超大规模集成电路的性nSalicide:Salicide: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层属层（一般为（一般为 Ti,Co Ti,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 processes)。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。35Salicide:它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及源漏注2.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 Salicide Salicide362.钛淀积Siliconsubstrate1.有源nThe 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.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 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.37Thetermsalicidereferstoapolycide:降低栅极电阻降低栅极电阻salicide：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38polycide:降低栅极电阻salicide：既能n 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？39什么叫做polycide和Salicide结构及工艺？他们n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40答：Polycide一般是由silicide和polysinSalicide（SelfAlignedSilicide）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：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。41Salicide（SelfAlignedSilicide金属填充塞金属填充塞n多多层层金金属属化化产产生生了了对对数数以以十十亿亿计计的的通通孔孔用用金金属属填填充充塞塞填填充充的的需需要要，以以便便在在两两层层金金属属之之间间形形成成电电通通路路。接接触触填填充充薄薄膜膜也也被被用用于于连连接接硅硅片片中中硅硅器器件件和和第第一一层层金金属属化化。目目前前被被用用于于填填充充的的最最普普通通的的金金属属是是钨钨，因因此此填填充充薄薄膜膜常常常常被被称称为为钨钨填填充充薄薄膜膜(见见下下图图)。钨钨具具有有均均匀匀填填充充高高深深宽宽比比通通孔孔的的能能力力，因因此此被被选选作作传传统统的的填充材料。填充材料。n铝铝虽虽然然电电阻阻率率比比钨钨低低，但但溅溅射射的的铝铝不不能能填填充充具具有有高高深深宽宽比比的的通通孔孔，基基于于这这个个原原因因，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。42金属填充塞多层金属化产生了对数以十亿计的通孔用金属填充塞填充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43多层金属的钨填充塞早期金属化技术1.厚氧化层淀积1.IC 中的金属塞中的金属塞SiO244IC中的金属塞SiO244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，采用阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，采用阻挡层可以消除阻挡层可以消除诸如诸如AlSiAlSi互溶和尖刺（如图互溶和尖刺（如图所示）等问题所示）等问题45阻挡层金属阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，采用阻挡层可以消n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。46通常用做阻挡层的金属是一类具有高熔点的金属，如钛Ti、钨W、具有具有 Ti/TiN Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨阻挡层金属的垫膜钨 CVD CVDTi2 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 4.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47具有Ti/TiN阻挡层金属的垫膜钨CVDTi2准直超大规模集成电路中Cu的互连集成技术 48超大规模集成电路中Cu的互连集成技术48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Why Cu needed49铜连线的电阻R比铝连线小。铜的电阻率为1.7/cm，铝的铜互连所面临的问题铜互连所面临的问题 铜的污染问题铜的污染问题铜的污染问题铜的污染问题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 CuCu引线的图形加工问题引线的图形加工问题引线的图形加工问题引线的图形加工问题 CuCu在空气和低温下（在空气和低温下（在空气和低温下（在空气和低温下（200200）易氧化，不能形成）易氧化，不能形成）易氧化，不能形成）易氧化，不能形成保护层来阻止自身的进一步被氧化和腐蚀保护层来阻止自身的进一步被氧化和腐蚀保护层来阻止自身的进一步被氧化和腐蚀保护层来阻止自身的进一步被氧化和腐蚀50铜互连所面临的问题铜的污染问题50解决方案解决方案阻挡阻挡Cu扩散的扩散的扩散阻挡层扩散阻挡层成功解决了成功解决了Cu的污染问题的污染问题大马士革结构与大马士革结构与CMP技术技术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51解决方案阻挡Cu扩散的扩散阻挡层大马士革结构与CMP技术51Cu的大马士革结构的大马士革结构 单镶嵌单镶嵌(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自工艺的互连沟槽和接线柱的制造要经过各自的介质刻蚀、金属淀积和的介质刻蚀、金属淀积和CMP工艺过程，其互工艺过程，其互连和接线柱的材料可以是不同的金属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是同一种材料52Cu的大马士革结构单镶嵌(SingledamascenCu金属淀积技术金属淀积技术CuCu薄膜的淀积方法有多种，包括：薄膜的淀积方法有多种，包括：薄膜的淀积方法有多种，包括：薄膜的淀积方法有多种，包括：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)等等电镀电镀电镀电镀是目前普遍使用的方法，它具有优秀的间隙填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，系统简充能力，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，但电镀需要单积淀积过程易于控制等特点，但电镀需要籽晶籽晶籽晶籽晶层层层层，目前籽晶层由，目前籽晶层由PVD或或CVD制备。制备。53Cu金属淀积技术Cu薄膜的淀积方法有多种，包括：53n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。54电镀是完成铜互连线的主要工艺。集成电路铜电镀工艺通常采用硫酸5555双大马士革工艺双大马士革工艺n铜不适合用干法刻蚀，为了形成铜互连金属铜不适合用干法刻蚀，为了形成铜互连金属线，线，应用双大马士革方法以避免铜的刻蚀。应用双大马士革方法以避免铜的刻蚀。在大马士革过程中，不需要金属刻蚀确定线在大马士革过程中，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，既为每一金属，既为每一金属层层产生通孔又产生引线产生通孔又产生引线，然后淀积铜进入刻，然后淀积铜进入刻蚀好的图形，再用蚀好的图形，再用CMP去掉额外的铜去掉额外的铜56双大马士革工艺铜不适合用干法刻蚀，为了形成铜互连金属线，应用双大马士革工艺双大马士革工艺57双大马士革工艺57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58铜镶嵌布线ILDILDM1CuSiNCu通孔和金属层的铜填充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互连流程氧化硅通孔2刻蚀钨淀积平坦化平坦化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，在晶片在晶片上制作两层以上的金属层，早已成为半导体工艺发展的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。为了使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果，在制作第二层金，在制作第二层金属层之前，必须先把属层之前，必须先把用来隔离这两层导线的介电层用来隔离这两层导线的介电层做好做好才行。但是，因为这层以才行。但是，因为这层以CVDCVD法法所沉积的介电层会受到所沉积的介电层会受到第一层金属层的轮廓的影响，因此第一层金属层的轮廓的影响，因此必须加以平坦化，必须加以平坦化，以以利于利于第二层金属的第二层金属的光刻光刻。平坦化以后，就可以沉积第二平坦化以后，就可以沉积第二层金属了。层金属了。60平坦化为什么要实现芯片的平坦化？60用於晶圓平坦化的術語用於晶圓平坦化的術語 表 18.1 61用於晶圓平坦化的術語表18.161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 62平坦化之定性定義e)全面平坦化a)未平坦化b)平滑化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面的硅片表面上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SiO2SiO2的液相绝的液相绝缘材料，通过类似涂胶的工艺，将其有效地缘材料，通过类似涂胶的工艺，将其有效地填满凹槽以实现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。63平坦化技术局部平坦化的特点是在一定范围的硅片表面上实现平坦化1 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方基本原理：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流动，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。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641旋涂玻璃法64nSOG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”两种方法两种方法65SOG的制造过程可以分为涂布与固化两个阶段65n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。66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0.5紧接着，紧接着，SOGSOG的制程将分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。67紧接着，SOG的制程将分为有/无回蚀两种方式在有回蚀的S2 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-Chemical-Mechanical CMP-Chemical-Mechanical PolishingPolishing），这是唯一一种能提供），这是唯一一种能提供VLSIVLSI全面平坦化全面平坦化的技术，由的技术，由IBMIBM公司提出。公司提出。n化学机械研磨技术，兼具有研磨性物质的化学机械研磨技术，兼具有研磨性物质的机械机械式研磨式研磨与酸碱溶液的与酸碱溶液的化学式研磨化学式研磨两种作用，可两种作用，可以使晶圆表面达到全面性的平坦化，以利于后以使晶圆表面达到全面性的平坦化，以利于后续薄膜沉积之进行。续薄膜沉积之进行。682化学机械抛光法化学机械抛光(研磨)法（CMP-ChemCMP的基本结构和工艺过程69CMP的基本结构和工艺过程69带多个磨头的带多个磨头的CMPCMP设备设备 研磨研磨用磨料用磨料磨料喷嘴旋转中的转盘抛光垫磨头连杆磨头背膜硅片圖 18.17 70带多个磨头的CMP设备研磨用磨料磨料喷嘴旋转中的转盘抛光垫(Photo courtesy of Speedfam-IPEC)CMP设备设备照片 18.3 71(PhotocourtesyofSpeedfam-IPCMP的應用的應用 vSTISTI氧化物的研磨氧化物的研磨vLILI氧化物的研磨氧化物的研磨vLILI钨钨的研磨的研磨vILDILD氧化物的研磨氧化物的研磨v钨插塞的研磨钨插塞的研磨v大马士革铜的研磨大马士革铜的研磨72CMP的應用STI氧化物的研磨72用於用於STI之氧化物填溝的之氧化物填溝的CMP 圖 18.23 CMP之研磨氧化物之CVD 研磨後STI氧化物氮化物剝除 襯氧化物 p 磊晶層 p 矽基板 n井 p井73用於STI之氧化物填溝的CMP圖18.23CMP之研磨氧LILI氧化物氧化物 圖 18.24 摻雜氧化物之CVD 氮化矽之CVD氧化物之CMPLI氧化物 n井 p井 p 磊晶層 p 矽基板74LI氧化物圖18.24摻雜氧化物之CVD氮化矽之CVDILD氧化物之研磨氧化物之研磨 圖 18.25 ILD-1氧化物之沈積氧化物之CMPILD-1氧化物之蝕刻LI氧化物 n井 p井 p 磊晶層 p 矽基板75ILD氧化物之研磨圖18.25ILD-1氧化物之沈積氧化用於雙鑲嵌銅冶金化之用於雙鑲嵌銅冶金化之CMP 圖 18.26 銅之沈積鉭之沈積 銅鉭氮化物氧化物之CMP鉭 氮化物銅76用於雙鑲嵌銅冶金化之CMP圖18.26銅之沈積鉭之沈積传统传统CMP与大马士革与大马士革CMP比较比较77传统CMP与大马士革CMP比较7习题习题nAL/SiAL/Si接触存在哪两个问题？请简述他们形成的原因以接触存在哪两个问题？请简述他们形成的原因以及解决的办法？及解决的办法？nICIC互连金属化引入铜的优点以及对铜的挑战有哪些？互连金属化引入铜的优点以及对铜的挑战有哪些？nCuCu的双大马士革工艺流程的双大马士革工艺流程n什么叫做什么叫做polycidepolycide和和SalicideSalicide结构及工艺？他们的优结构及工艺？他们的优点是什么？如何实现？点是什么？如何实现？78习题AL/Si接触存在哪两个问题？请简述他们形成的原因以及解