西安交通大学微电子制造技术第十二章金属化.ppt

微电子制造技术第 12 章 金属化 概 述 金属化是指芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上淀积金属薄膜，并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整体。高性能的微处理器用金属线在一个芯片上连接成千上万甚至上亿个器件，所以其复查程度是可想而知的。 由于ULSI组件的密度增加，互联线的宽度和间距在不断变小。互连电阻和寄生电容也会随之增加，从而降低了信号的传输速度。 减小互连电阻可通过用铜取代铝作为基本的导电金属已成为现实。除此之外，对于亚微米的线宽，还需要采用低K值层间介质(ILD)降低介电常数来减少寄生电容。 学 习 目 标 1.了解芯片制造中的6种金属，讨论它们的性能要求并给出每种金属的应用； 2.解释在芯片制造过程中使用各种金属的优缺点，描述应用铜的挑战； 3.分析溅射的优点和缺点； 4.了解铜电镀的基础； 5.熟悉双大马士革法的工艺流程。 金属化对不同的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。 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，通过光刻、刻蚀形成通孔，以便为各金属层之间形成通路，再用金属(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。这种变化源于铜刻蚀很困难，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（见图12.2）。 金属类型 以提高电路性能为目的，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: 2. 黏附性 3. 淀积工艺 4. 刻印图形/平坦化 5. 可靠性 6. 抗腐蚀性 7. 应力 在芯片制造业中各种金属和金属合金可组成下列种类 铝 铝铜合金 铜 阻挡层金属 硅化物 金属填充塞 铝 在半导体制造业中，最早的互连金属是铝，目前在VLSI以下的工艺中仍然是最常用的互连金属。在本世纪制造高性能IC工艺中，铜互连金属已经取代传统的铝。然而，由于基本工艺中铝互连金属的普遍性， 所以了解铝金属化也是非常有必要的。 铝在20℃时具有2.65μΩ-cm的低电阻率，比铜、金及银的电阻率略高。然而铜和银都比较容易腐蚀，且在硅和二氧化硅中有高的扩散率，这些都阻止它们被用于半导体制造。另一方面，铝能够很容易和二氧化硅反应，通过加热形成氧化铝（AL2O3），进而促进了氧化硅和铝之间的附着。还有铝容易淀积在硅片上。基于这些原因。铝仍然作为首选的金属应用于金属化。 欧姆接触 为了在金属和硅之间形成良好的欧姆接触，通常采用热处理（400～500℃）方法实现，在惰性气体或还原的氢气环境中进行。此过程也被称为低温退火或烧结。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（有很低的电阻）。接触电阻与接触面积成反比。在现代芯片设计中，欧姆接触用特殊的难熔金属（以硅化物形式出现的钛）在硅表面作为接触以减小电阻、增强附着（见图12.4）。 在某些特殊的芯片上有上亿个接触点，为了获得良好的电性能，一个可靠的具有低电阻和牢固附着的界面是非常重要的。 结“穿通”：在加热过程中，铝和硅能够相互共溶[共溶点温度(570℃)比各自的熔点低]，形成接触金属和硅的微合金，在纯铝和硅界面加热时有时会出现结尖刺发生，并导致铝向硅中扩散，出现所谓的结“穿通”现象，严重时会影响器件性能，结尖刺的问题可通过在铝中添加硅和阻挡层金属化两种方法解决。 铝铜合金：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IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的电迁徙(Electromigration)引起的可靠性问题。由于电迁徒会在金属表面金属原子堆积形成小丘(如图所示)，如果大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在一起。这就使在ULSI中用铜取代铝的原因之一。在ULIS技术、高级电路的设计中，芯片温度会