第九章　金属化工艺

第九章 Metallization 金属化 接触 contact 指硅芯片内的器件与第一层金属层之 间在硅表面的连接 互连 interconnect 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 通孔 via 通过各种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 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 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 金属化的几个术语芯片互连的金属和金属合金 导电率 高导电率 传导高电流密度 粘附性 能粘附下层衬底 容易与外电路实现电连 接 与半导体和金属表面欧姆接触 淀积 易于淀积 经过相对的低温处理后具有均匀的 结构和组分 刻印图形 平坦化 可靠性 抗腐蚀性 应力 Metallization Definition Applications PVD vs CVD Methods Vacuum Metals Processes Future TrendsMetallization Processes that deposit metal thin film on wafer surface 在绝缘介质薄膜上淀积金属以及随后将其刻蚀成图形以便形成互联 金属线和集成电路通孔或过孔 将有源元件按设计要求联接起来形 成一个完整的电路和系统 提供与外电源相连接的接点 互联和金属化不仅占去了相当的芯片面积 而且往往是限制集成电 路速度的主要原因 VLSI 集成度增加 互联电阻和寄生电容也会随之增加 降低了信号 的传播速度 减少信号的传播延迟 铜替代铝 减少电阻率 低k 层间介质 减少寄生电容集成电路对金属化材料特性的要求1 CMP工艺的优缺点都有哪些 2 在CMP 工艺过程中 如何控制片与片之 间的工艺均匀性 3 在超大规模集成电路金属化工艺过程 中 采用哪些工艺手段来减少信号的RC 延 迟 Global interconnect 顶层互联线 Contact stub Word line Local interconnect DiffusionApplications Interconnection Dominate the metallization processes Al Cu alloy is most commonly used W plug technology of 80s and 90s Ti welding layer TiN barrier adhesion and ARC layers The future Cu多晶硅的优点 Al的熔点为659 多晶硅与随后的高温处理工艺有很好兼 容性 与Al栅相比 多晶硅与热生长的二氧化 硅的接 触性能更好 在陡峭的台阶上淀积多晶硅时能获得很 好的保形性 Conducting Thin Films Polysilicon Silicides Aluminum alloy Ti t a ni um Titanium Nitride Tungsten Copper Ta nt a l umPolysilicon Gates and local interconnections Replaced aluminum since mid 1970s High temperature stability Required for post implantation anneal process Al gate can not use form self aligned source drain Heavily doped LPCVD in furnaceSilicide Much lower resistivity than polysilicon Ti Si 2 WSi 2 and CoSi 2 are commonly used Silicide Salicide和Polycide 这三个名词对应的应用应该是一样的 都是利用硅 化物来降低多晶硅上的连接电阻 但生成的工艺是 不一样的 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 Silicide 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 Polycide 多晶硅合金 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 然后在多晶硅 上继续生长金属硅化物 silicide 其一般为 WSi 2 硅化钨 和 TiSi 2 硅化钛 薄膜 然后再进行栅极刻 蚀和有源区注入等其他工序 完成整个芯片制造 Salicide 自对准硅化物 它的生成比较复杂 先是 完成栅刻蚀及源漏注入以后 以溅射的方式在多晶硅上淀 积一层金属层 一般为 Ti Co 或Ni 然后进行第一 次 快 速升温煺火处理 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 Polycide和Salicide则是分别指对着不同的 形成Silicide的工艺流程 下面对这两个流 程的区别简述如下 polycide 降低栅极电阻 salicide 既能降低栅极电阻 又能降低源 漏电阻23 多晶硅上的多晶硅化物 Polycide 钛多晶硅化物 钛硅化物 多晶硅栅 掺杂硅 如果难熔金属和多晶硅反应 那么它被称为多晶 硅化物 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500 cm 正是这导致 了不应有的信号延迟 多晶硅化物对减小连接多晶 硅的串联电阻是有益的24 Polycide 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 POLY SI 然后在POLY上继续生长金 属硅化物 silicide 其一般为 WSi2 硅化钨 和 TiSi2 硅化钛 薄膜 然后再进行栅极刻蚀和有源区注入等其 他工序 完成整个芯片制造 自对准硅化物 salicide 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 自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差 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 Salicide 自对准硅化物 T iS i 2 and CoSi 2 Argon sputtering removes the native oxide Ti or Co deposition Annealing process forms silicide Ti or Co don t react with SiO 2 silicide is formed at where silicon contacts with Ti or Co Wet strips unreacted Ti or Co Optional second anneal to increase conductivity 原生氧化层 可选的第二次退火 什么叫做polycide和Salicide结构 及工艺 他们的优点是什么 如何实 现 答 Polycide一般是由silicide和poly si组成的多晶硅 化物 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 实现 1 多晶硅的沉积和掺杂 PVD或者CVD沉积 2 金属硅化物沉积 PVD或者CVD沉积 3 热退火 4 栅掩模光刻 5 RIE刻蚀 6 S D离子注入 Salicide Self Aligned Silicide 是自对准硅化物的简称 优点在于 1 自对准 2 s d区寄生电阻大大减少3 栅层互联 电阻减少 很好的界面 适合应用于短沟道器件 实现过程 1 自对准多晶硅生成 2 绝缘介质沉积 RIE刻蚀形成侧墙 3 S D区形成 4 磁控溅镀一层金属在整个晶片的表面 5 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 6 未参加反应的金属用湿法刻蚀加以去除 7 高温快速热退火 形成高电导的金属硅化区 金属填充塞 多层金属化产生了对数以十亿计的通孔用金 属填充塞填充的需要 以便在两层金属之间 形成电通路 接触填充薄膜也被用于连接硅 片中硅器件和第一层金属化 目前被用于填 充的最普通的金属是钨 因此填充薄膜常常 被称为钨填充薄膜 见下图 钨具有均匀填 充高深宽比通孔的能力 因此被选作传统的 填充材料 铝虽然电阻率比钨低 但溅射的铝不能填充 具有高深宽比的通孔 基于这个原因 铝被 用作互连材料 钨被限于做填充材料 Tungsten Silicide Thermal CVD process WF 6 as the tungsten precursor SiH 4 as the silicon precursor Polycide stack is etched Fluorine chemistry etches WSi x Chlorine 氯 chemistry etches polysilicon Photoresist stripping RTA increases grain size and conductivity 多晶硅化物堆栈Tungsten W 2WF 6 3Si 2W 3SiF 4 WF 6 3H 2 W 6HF WF 6 SiH 4 W SiF 4 2HF H 2Aluminum Most commonly used metal The fourth best conducting metal Silver 1 6 cm Copper 1 7 cm Gold silver 2 2 cm Aluminum 2 65 cm It was used for gate before mid 1970Aluminum Silicon Alloy Al make direct contact with Si at source drain Si dissolves in Al and Al diffuses into Si Junction spike 结尖刺 Aluminum spikes punctuate doped junction Short source drain with the substrate 1 of Si in Al saturates it Thermal anneal at 400 to form Si Al alloy at the silicon aluminum interface1 什么是负载效应 Loading Effects 负载效应分为那两种 2 湿法刻蚀的优点是 1 缺点主要 是 2 和 3 3 CVD相对于PVD有什么优点 由于Si在Al中有相当可观的溶解度 这 一现象将引起Al Si接触中的重要现象 结尖 刺现象 由于硅在与Al接触的孔内并不是均 匀消耗的 往往只是在几个点上消耗Si 这 样Al就会在某些接触点像针尖一样楔进Si衬 底 从而使p n结失效 这就是结尖刺现象 方案欧姆接触 在硅上加热烘烤铝形成期望的电接触界面 被称为欧姆接触 欧姆接触有很低的电阻 其接触界面的伏 安特性曲线满足欧姆定 律 在芯片设计中 欧姆接触用特殊的难 熔金属 在硅表面作为接触以减小电阻 增 加附着 Electromigration Aluminum is a polycrystalline material Many mono crystalline grains Current flows through an aluminum line Electrons constantly bombards the grains Smaller grains will start to move This effect is called electromigration1 影响产生结尖刺的因素都有哪些 2 工艺上采用哪些手段来抑制结尖刺 的产生 3 什么是欧姆接触 Electromigration Electromigration tear the metal line apart Higher current density in the remaining line Aggravates the electron bombardment Causes further aluminum grain migration Eventually will break of the metal line Affect the IC chip reliability Aluminum wires fire hazard of old housesElectromigration Prevention When a small percent of copper is alloyed with aluminum electromigration resistance of aluminum significantly improved Copper serves as glue between the aluminum grains and prevent them from migrating due to the electron bombardment Al Si Cu alloy was used Al Cu 0 5 4 is very commonlyAluminum Alloy Deposition PV D Sputtering Evaporation Thermal Electron beam C V D Dimethylaluminum hydride DMAH Al CH 3 2 H Thermal process 二甲基氢化铝PVD vs CVD CVD Chemical reaction on the surface PVD No chemical reaction on the surface CVD Better step coverage 50 to 100 and gap fill capability PVD Poor step coverage 15 and gap fill capabilityPVD vs CVD PVD higher quality purer deposited film higher conductivity easy to deposit alloys CVD always has impurity in the film lower conductivity hard to deposit alloysTitanium Applications Silicide formation Titanium nitridation Wetting layer 湿润 层 Welding layer 焊接 层 Welding Layer Reduce contact resistance Titanium scavenges 清除 oxygen atoms Prevent forming high resistivity WO 4 and Al 2 O 3 Use with TiN as diffusion barrier layer Prevent tungsten from diffusing into substrateTitanium Nitride Barrier layer prevents tungsten diffusion Adhesion layer help tungsten to stick on silicon oxide surface Anti reflection coating ARC reduce reflection and improve photolithography resolution in metal patterning process prevent hillock and control electromigration Both PVD and CVD 小丘1 作为集成电路互联金属应具备哪些 特性 2 Al作为集成电路互联金属导线会出 现哪些缺陷 工艺上如何克服这些缺 陷 Tungsten Metal plug in contact and via holes contact holes become smaller and narrower PVD Al alloy bad step coverage and void CVD W excellent step coverage and gap fill higher resistivity 8 0 to 12 cm compare to PVD Al alloy 2 9 to 3 3 cm only used for local interconnections and plugsTungsten CVD Basics Tungsten source gas tungsten hexafluoride WF 6 Additional reactant hydrogen H 2 Temperature 400 475 Step Coverage is 100 籽晶的定义 籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小 晶体 籽晶可由CVD 工艺制造 籽晶就是 小的单晶颗粒 由于晶体生长中成核是比 较困难的一步 籽晶实际上就是提供了一 个晶体比较容易继续生长的中心 籽晶可 用来促进单晶体的形成 Copper Low resistivity 1 7 cm lower power consumption and higher IC speed High electromigration resistance better reliability Poor adhesion with silicon dioxide Highly diffusive heavy metal contamination Very hard to dry etchCopper Deposition PVD of seed layer ECP 电镀 or CVD bulk layer Thermal anneal after bulk copper deposition increase the grain size improving conductivityCopper Pre deposition clean PVD barrier layer Ta or TaN or both PVD copper seed layer 籽晶层 Electrochemical plating bulk copper layer Thermal anneal to improve conductivityPre clean Argon sputtering pre deposition clean Commonly used Possible copper contamination due to sputtering Chemical pre clean H 2 and He plasma H radicals react with CuO 2 4 H CuO 2 Cu 2 H 2 OBarrier Layer Copper diffusion into silicon can cause device damaging Need barrier layer Ti TiN Ta TaN W WN Few hundred Ta is commonly used Combination of Ta and TaN in near futureCopper Seed Layer PVD copper seed layer 500 to 2000 Nucleation sites for bulk copper grain and film formation Without seed layer No deposition or deposition with very poor quality and uniformityCopper Seed Layer Copper vapor can be easily ionized Low pressure long MFP Copper ions throw into via and trench good step coverage and smooth film surface Very narrow via hole PVD copper will be in trouble due to its poor step coverage CVD copper process may be neededElectrochemical Plating ECP 电化学电镀 Old technology Still used in hardware glass auto and electronics industries Recently introduced in IC industry Bulk copper deposition Low temperature process Compatible with low k polymeric dielectricElectrochemical Plating ECP CuS O 4 solution Copper anode Wafer with copper seed layer as cathode Fixed electric current Cu 2 ion diffuse and deposit on waferVia and Trench Fill To achieve better gap fill pulse current with large forward amperage and small reversed amperage is used Reversed current removes copper which reduces overhang of the gap Similar to dep etch dep process Additives reduces deposition on the corner to improve the via fill capabilityAl Cu PVD Standard process and hot aluminum process Standard process Al Cu over tungsten plug after Ti and TiN deposition Normally deposit at 200 Smaller grain size easier to etch Metal annealing to form larger grain size lower resistivity h i g h E M RAl Cu PVD Hot aluminum process fill contact and via holes reduces contact resistance Several process steps Ti deposition Al Cu seed layer is deposited at low 200 Bulk Al Cu layer is deposited at higher temperatures 450 to 500 Tantalum Barrier layer Prevent copper diffusion Sputtering depositionCobalt Mainly used for cobalt silicide CoSi 2 Normally deposited with a sputtering process Cobalt Silicide Titanium silicide grain size 0 2 m Can t be used for 0 18 m gate Cobalt silicide will be used Salicide process金属化多层互联工艺流程金属化多层互联工艺流程金属化多层互联工艺流程金属化多层互联工艺流程金属化多层互联工艺流程金属化多层互联工艺流程金属化多层互联工艺流程金属化多层互联工艺流程金属化多层互联工艺流程