西安交通大学微电子制造技术第十二章金属化.pptx

;概 述;学 习 目 标; 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）。;;Photo 12.1 铜金属化 ; 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;Table 12.1 硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C) ;在芯片制造业中各种金属和金属合金可组成下列种类;铝;;欧姆接触;;;;IC互连金属化引入铜的优点;Table 12.2 与 0.25-?m 器件比较互连延迟的变化 ;Table 12.3 铝和铜之间特性和工艺的比较 ;对铜的挑战;; 阻挡层金属在金属互连中被广泛应用。为了连接铝互连金属和MOS源/漏之间的钨填充薄膜接触，阻挡层金属阻止了硅和钨互相进入接触点，也阻止了钨和硅的扩散以及任何结尖刺。可接受的阻挡层金属的基本特征：; 铜阻挡层金属 铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将会破坏器件的性能。传统的阻挡层金属对铜来说阻挡??用不够，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加固附着并有效地阻止扩散。对铜来说对这个特殊的阻挡层金属要求：;钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽、氮化钽和钽化硅（TaSiN）都是阻挡层金属的待选材料，阻挡层厚度必须很薄（约75?），以致它不影响具有高深宽比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色;硅化物;;Table 12.4 硅化物的一些特性 ;;自对准硅化物;自对准硅化物;自对准金属硅化物的形成;金属填充塞;多层金属的钨填充塞;SiO2;金属淀积系统－物理气相淀积 (PVD);蒸 发;;溅 射;;基本溅射步骤;溅射中的物理学;; 如图所示，除了被溅射的原子外，还有其它核素淀积在衬底上。这些核素会对衬底加热(使温度达到350℃)，引起薄膜淀积不均匀。在铝的淀积过程中，高温也可能产生不需要的铝氧化，这反而妨碍了溅射过程。另外如果这些核素(杂质原子)掺进正在衬底上生长的薄膜内，将会引起薄膜的质量出现问题。 以上介绍的溅射系统是一个简单的直流二极管系统，它不能用于溅射介质，因为电极被介质覆盖后辉光放电不能够维持。同样也不能用于溅射刻蚀。下面介绍三类溅射系统： RF (射频) 磁控 IMP (离子化的金属等离子体);;准直溅射;;离子化的金属等离子体;离子化的金属等离子体 PVD的概念;金属 CVD：;钨 CVD 钨填充薄膜淀积通常选用LPCVD，反应器既可以是热壁也可以是冷壁，最常用的气源是WF6，反应方程如下： WF6(气体)＋3H2 W(固体)＋6HF(气体) 与PVD相比，CVD淀积钨的方法虽然成本较高，但淀积方向控制较好，在通孔中薄膜的均匀性更好，所以CVD是钨淀积的首选方法。 CVD淀积钨薄膜的质量取决于硅片表面的化学反应。;;铜电镀;;;铜大马士革结构;表 12.5 -1 双大马士革法的铜金属化;;表 12.5-3 双大马士革法的铜金属化;表 12.5-4 双大马士革法的铜金属化;表 12.5-5 双大马士革法的铜金属化;表 12.5-6 双大马士革法的铜金属化;表 12.5-7 双大马士革法的铜金属化;表 12.5.8 双大马士革法的铜金属化;表 12.5.9 双