第3章_8_金属化工艺.ppt

3.8 金属化工艺 3.8.1 金属材料的选用 1 互连金属化材料的要求 （1）导电性能好 （2）与 n型和 P型硅之间都能形成欧姆接触 （3）性能稳定 （4）台阶覆盖性能好 （5）工艺相容（可以制薄膜、光刻、刻蚀） 2 常用的金属材料 1、铝 铝是一种常用的金属材料，电阻率很低，和硅的互溶性较好，它与P型硅和掺杂浓度较高的n型半导体都能形成欧姆接触。 问题： （1）电迁移现象 铝在导线中受两个力的作用： a.静电作用力，方向沿电场方向 b.”电子风作用力”，沿电子流的方向 电迁移（Electromigration） 由于在连线（Al）中的电子在足够大的电场力作用下使铝原子发生漂移运动，产生Al线上的空洞（Void）和小丘（Hillock），使IC在正常工作中，其内部互连线发生短路或者断路的现象。 即“电子风”作用力占主导地位。 电迁移中的Void和Hillock Void和Hillock的SEM照片 （2）铝硅互溶问题 硅在铝中有溶解度，易形成“尖刺”。 为了解决电迁移现象： （1）对铝薄膜的结构作设计 （2）采用Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金，边界分凝，阻止铝原子沿边界的迁移。 （3）采用多层结构（Al/Ti/Al) 例如：A l-CrAl7-Al 为了解决“尖刺”现象 （1）采用Al-Si 或Al-Si-Cu合金 （2）采用铝-硅双层金属化结构，可以提供溶解于铝所需要的硅原子。 （3）采用铝阻挡层结构 在硅铝之间沉积一层薄金属层 CoSi2/TiN/Al CoSi2：欧姆接触材料 TiN：阻挡层材料 2、重掺杂多晶硅和难熔金属硅化物 重掺杂多晶硅薄膜也可以代替铝成为MOS的栅极材料并同时形成互连 但IC中的特征尺寸小于1um时，由于多晶硅薄膜的电阻率较大，成为限制IC速度提高的主要障碍，为此采用硅化物/多晶硅的复合栅结构（polycide) 3、Cu 铜的电阻率极低，电迁移特性好，但有下列缺点： （1）刻蚀困难，容易对设备造成污染。 （2）Cu在硅中扩散很快,容易对器件造成污染。 Cu的刻蚀： 采用化学机械抛光(CMP)和大马士革(damascene)工艺刻蚀Cu 3.8.2 金属层淀积工艺 Al膜主要采用PVD（物理气相沉积） 法 1. 真空蒸度方法 a.钨丝加热法 b.电子束蒸发法 2、溅射沉积 1.基本过程 (1) 产生离子并导向一个靶; (2)离子把靶表面上的原子轰击出来; (3)被轰击出的原子向硅晶片运动 (4)在晶片表面这些原子凝结并形成薄膜 (5)磁控溅射的金属：铝、TiN、TW 超高真空镀膜系统 (中科院固体物理研究所) 主要技术指标： 进样及预处理室极限真空：10-5Pa； 淀积处理室极限真空：在配置分子泵组进行淀积时，真空可优于5×10-5 Pa； 配置离子泵进行真空检测时可达7×10-8Pa。 样品尺寸：Φ50mm； 主要用途： 离子束清洗；直流或射频溅射；反应离子溅射等 多靶磁控溅射设备 主要技术指标： 系统极限真空度：2.6×10-5Pa，漏率：停泵关机12小时后，系统保持真空度≤5Pa，工作真空：系统暴露大气后开机，40分钟内系统真空度达到≤6.6×10-4Pa； φ50永磁靶两只,φ50电磁靶一只； RF电源N=500W，DC电源N=500W； 样品尺寸：φ25 mm； 水冷，可连续公转，步进电机控制靶位转换，携带四块样品，水冷盘在大气下可与水平倾斜0 ～ 30°； 加热，样品温度850℃，在0～360°范围内公转，在大气下样品可以实现0～70°倾斜； MFC控制两路工作气体，偏压范围：0～200V。 主要用途： 利用二极放电产生等离子体的原理进行溅射沉积，可以进行RF磁控溅射、DC磁控溅射，以制取金属膜、介质膜、磁性膜以及多层膜等。 2.基本原理 磁控溅射 3.8.3 金属化互连系统 当集成电路集成度增加，内连线也增加，需要进行金属层的多层互连。 要进行金属的多层互连，须对介质进行平坦化工艺，既将随晶片表面起伏的介电层加以平坦。 1、旋涂玻璃法（SOG） SOG法是已旋涂的方式覆盖一层液态的溶液，以达到使晶片表面的介电层得以“平坦化”的目的。SOG经适当的热处理之后，将成为一个非常近似于SiO2 的物质。 2、化学机械抛光（CMP） 其工艺类似于硅的抛光，但不一样，对介电层抛光的目的是去掉光刻胶并使整个圆晶片表面均匀平坦，被去掉的厚度为0.5微米至1.0微米，而抛光归硅时，被去除的硅的厚度要有几十微米。 化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP） 抛光的过程既是机械的，也是化学的。 抛光的过程不只是通过研浆与圆晶片表面的摩擦来完成。 在圆晶片和研浆颗粒表面之间形成化学键和分子键。 最常用的抛光研