(第七章)金属化案例.ppt

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。 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 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。 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。 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 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。 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 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 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 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、Co