半导体器件与工艺(11)

第十一章金属化哈尔滨工程大学微电子学半导体器件与工艺芯片金属化是应用化学或物理处理方法在芯片上淀积导电金属薄膜的过程。这一过程与介质的淀积紧密相连，金属线在IC电路中传导信号，介质层则保证信号不受邻近金属线的影响。金属和介质都是薄膜处理工艺，在某些情况下金属和介质是由同种设备淀积的。金属化对不同金属连接有专门的术语。互连意指由导电材料，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。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。接触是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表面的连接。通孔是穿过各种介质层从某一金属层到毗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。引言引言金属化正处在一个过渡时期，铜金属化正逐渐取代铝合金。由于刻蚀铜很困难，为了克服这个问题，铜金属化应用双大马士革(dualdamascene）法处理，以形成通孔和铜互连。这种金属化过程与传统的金属化过程相反。金属化技术对于提高IC的性能很关键。对于早期IC技术而言，由互连线引起的信号延迟使得芯片的性能降低不是主要的。因为在传统器件中，主要信号延迟是由器件引起的。然而．对新一代ULSI产品制造业而言情况就不同了，金属布线越密，互连线引起的信号延迟就越大，对IC性能的制约影响也越大。引言引言用于芯片互连的金属和金属合金的要求是：1.导电率：必须具有高电导率，能够传导高电流密度。2.粘附性：能够粘附下层衬底，容易与外电路实现电连接。与半导体和金属表面连接时接触电阻低。3.易淀积：易于淀积并经相对的低温处理后具有均匀的结构和组分。4.刻印图形／平坦化：为刻蚀过程提供具有高分辨率的光刻图形；大马士革金属化易于平坦化。5.可靠性：为了在处理和应用过程中经受住温度循环变化，金属应相对柔软且有较好的延展性。6.抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，在层与层之间以及下层器件区具有最小的化学反应。7.应力：很好的抗机械应力特性以便减少硅片的扭曲和材料失效，比如断裂、空洞的形成和应力诱导缺陷。金属类型在硅片制造业中各种金属和金属合金可组合成下列种类：●铝●铝铜合金●铜●阻挡层金属●硅化物●金属填充塞金属类型■铝在半导体制造业中，最早的互连金属是铝，而且它在硅片制造业中仍然是最普通的互连金属。选择铝在制造硅片时，铝以薄膜的形式在硅片中连接不同器件。同时，铝是淀积在硅片上的最厚的薄膜之一，第一层金属厚约5000Å。在硅片上，上层非关键层（例如，具有焊接区的金属层）其厚度能达到20000Å。金属类型欧姆接触为了在铝和硅之间形成接触，加热界面是必要的。这一过程通常在惰性气体或还原的氢气环境中，在450-500℃进行。这个加热过程也被称为低温退火或烧结。欧姆接触电阻与接触面积成反比，即接触面积越小，电阻越大。在现代芯片设计中，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、增强附着。欧姆接触是应用自对准硅化物过程制备的，使它很准确位于源／漏的上方并非常靠近栅结构。金属类型在加热过程中，铝和硅之间反应导致接触金属和硅形成微合金，这一过程被称为结“穿通”。当纯铝和硅界面被加热时结尖刺发生，并导致硅向铝中扩散。硅溶解在铝中的量是不均匀的，它取决于加热过程的时间和温度。如果纯铝被加热到450℃，并且提供了硅源，硅将开始溶解在铝中，直到它的浓度达到约0.5%为止。这里的硅源就是硅片，问题在于硅溶解时，硅片中随后留下了空洞，允许“穿通”形成，结果渗透到硅接触区。如果铝形成一个浅结的欧姆接触，结尖刺有可能引起结短路。金属类型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。第一种方法是利用铝和硅的合金而不是纯铝。如果铝中已经有硅，那么硅从衬底向铝中溶解的速度将会减慢。然而硅在铝中形成合金的量是有限的，由于硅在铝凝结，可能导致节结（小的硅高浓度区域）的形成。节结的形成，可能明显地增加接触电阻，并且在节结点的局部加热可能引起可靠性严重下降。解决结尖刺问题的主要方法是引入阻挡层金属化以抑制扩散。金属类型■铝铜合金铝有电迁徙引起的可靠性问题。由于动量从传输电流的电子转移，引起铝原子在导体中移动，在大电流密度的情形下，电子和铝原子碰撞，引起原子逐渐移动。原子的移动导致原子在导体负极的损耗。在导体中，发生原子损耗就会产生空洞，引起连线减薄，一个潜在的可能是引起断路、在导体的其他区域，有金属原子堆积，金属原子堆起来形成小丘。由于电迁徙，小丘在金属薄膜的表面鼓出，如果过多或大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在一起。芯片温度会随着电流密度而增加，这两者都会使铝芯片金属化更易于引起电迁徙。金属类型由铝和铜形成的合金，当铜的含量在0.5%到4%之间时，其连线中的电迁徙得到控制。通过减少铝中颗粒之间界面的扩散效果，使得形成的合金从根本上增加了传输电流的能力。如果铜和铝形成合金，更需要关心的是，用等离子体刻蚀形成的铝合金。铜难于刻蚀，刻蚀铝合金互连线后任何剩余的铜却可能促使侵蚀发生。在接触孔和通孔也可能有电迁徙的问题。接触孔的电迁徙失效问题可通过阻挡层金属化解决。金属类型■铜在IC设计和制造中，由于铜互连技术的引入，一个主要的转化正在起步。随着铜在芯片性能方面取得明显的优势，铜互连线将取代铝金属化。IC互连金属化引入铜的优点是：1.电阻率的减小。减少RC的信号延迟，增加芯片速度。2.减少了功耗。3.更高的集成密度。更窄的线宽，允许更高密度的电路集成，这意味着需要更少的金属层。4.良好的抗电迁徙性能。5.更少的工艺步骤。用大马士革方法处理铜具有减少工艺步骤20%到30%的潜力。金属类型随着芯片上器件集成度的提高，允许更多的电信号从器件到器件快速传递。高密度使得芯片的性能被改善，然而芯片改进仅在器件之间的互连系统被优化后才有可能实现。一个减小互连电阻的可能办法是增加导线的横截面积，但这与提高集成度的目的是相矛盾的。降低互连电阻率，也会降低整个信号延迟，这就是半导体产业重视铜的原因。当电阻被减小并通过应用低k介质以及减薄阻挡层金属的厚度而减小电容C时，RC信号延迟能获得理想的改进。铜的另一个优点是：窄的线宽能传输等量电流，在每一金属层允许更高的集成密度。这使得芯片上总金属层数减少，制造成本明显下降。铜有良好的抗电迁徙特性，用铜制造的芯片能处理更高的功率密度。金属类型用铜作为半导体互连主要涉及三个方面的挑战：1.铜很快扩散进氧化硅和硅，进入硅的有源区（如晶体管的源／漏／栅区）而损坏器件，将引起结或者氧化硅漏电。2.应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不易形成图形。干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产生挥发性的副产物。3.低温下（200℃）空气中，铜很快被氧化，而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。通过转变到双大马士革法，用阻挡层金属处理，这些挑战可被解决。大马士革法不需要刻蚀铜，此外钨填充希望被用做第一层金属与源、漏和栅区的接触。应用钨克服了铜沾污硅的问题，钨甚至可以被刻蚀成金属线用于局域互连。而用于多层金属的所有其他金属连线和通孔期望是铜。金属类型■阻挡层金属阻挡层金属在半导体制造业中被广泛应用。为了连接铝互连金属线和硅源漏之间的钨填充薄膜接触，阻挡层金属阻止了硅和钨相互进入接触点，也阻止了钨和硅的扩散以及任何结尖刺。阻挡层金属的基本特性是：1.有很好的阻挡扩散特性，结果分界面两边材料的扩散率在烧结温度时很低。2.高电导率具有很低的欧姆接触电阻。3.在半导体和金属之间有很好的附着。4.抗电迁徙5.在很薄并且高温下具有很好的稳定性。6.抗侵蚀和氧化。金属类型通常用作阻挡层的金属是具有高熔点的难熔金属。在芯片制造业中，用于多层金属化的普通难熔金属有钛（Ti）、钨（W）、钽（Ta）、钼（Mo等。用钛作为阻挡层的优点是增强铝合金连线的附着、减小接触电阻、减小应力和控制电迁徙。为了得到好的阻挡特性，在淀积之前，硅片在真空腔经历了清除硅片上的自然氧化层和氧化物残留物等步骤（溅射刻蚀）。钛钨（TiW）和氮化钛（TiN）也是两种普通的阻挡层金属材料，它们禁止硅衬底和铝之间的扩散。TiN具有作为钨和铝间阻挡层金属的功能，然而TiN和硅之间的接触电阻较高。为了解决这个问题，在TiN被淀积之前，一薄层钛被淀积，这层Ti能与下层的材料（如硅）反应从而降低它的电阻。金属类型铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，传统的阻挡层金属对铜来说阻挡作用不够，铜需要由一层薄膜阻挡层完全封装起来，这层封装薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。对铜阻挡层金属要求：1．阻止铜扩散；2．低薄膜电阻；3．对介质材料和铜都有很好的附着；4．与化学机械平坦化过程兼容；5．具有很好的台阶覆盖，填充高深宽比间隙的金属层是连续、均匀的；6．膜厚尽量小，使铜占据更大的横截面积。金属类型对于铜互连，钽、氮化钽和氮硅钽（TaSiN）都是阻挡层金属的待选材料。这个扩散阻挡层必须很薄。当几何尺寸不断缩小时，要求金属被淀积进具有高深宽比的通孔。研究表明，Ta对铜来说有很好的阻挡和附着特性。如果用TaN，则通过注入少量氮气或淀积钽氮化合物来获得。铜可通过高密度等离子体CVD（HDPCVD）或者离子化了的金属等离子体物理气相淀积生长。就钽而言，离子化了的金属等离子体PVD取得了好的台阶覆盖。如果淀积进入具有高深宽比的间隙，那么HDPCVD阻挡层淀积常被选择。金属类型■硅化物难熔金属与硅在一起发生反应，熔合时形成硅化物。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，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。金属类型如果难熔金属和多晶硅反应，得到多晶硅化物。掺杂的多晶硅被用作栅电极，多晶硅化物对减小连接多晶硅的串联电阻是有益的，同时它也保持了多晶硅对氧化硅好的界面特性。硅化物对硅形成了一个非常好的冶金接触，并在接触金属和硅结区域用作关键附着层。对相对高的最低熔解温度，许多硅化物在超过1000℃的温度是稳定的。金属类型硅化物的形成通常要求把难熔金属淀积在硅片上，接着进行高温退火处理以形成硅化物。通常热退火步骤在一个多腔集成设备中使用快速热退火（RTA）处理。硅化物不是阻挡层金属，在一些硅化物中发现，硅迅速地扩散穿过硅化物。扩散发生在金属-硅化物-硅系统的热处理过程中，硅扩散穿过硅化物进人到金属中，这降低了系统的完整性。解决这个问题的方法是在硅化物和金属化层之间淀积一层金属阻挡层。金属类型由于在优化超大规模和甚大规模集成电路的性能方面，需要进一步按比例缩小器件的尺寸，因此在硅源／漏和第一金属层之间电接触的横截面很小。这样小的接触面积导致接触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源和漏区接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。自对准硅化物的方法被用于产生硅化物，它能很好地与露出的源、漏以及多晶硅栅的硅对准。金属类型为了形成自对准硅化物，氧化硅先被淀积，然后用干法等离子体刻蚀反刻，在多晶硅栅的两边留下氧化硅侧墙。有了侧墙绝缘分隔层，仅顶部的多晶硅栅露出来。经过在HF中浸泡、去掉了自然氧化硅层的清洗步骤以后，25-35nm厚的金属钛层被淀积在硅片上。难熔金属经历了600-800℃的快速退火过程，形成具有高电阻率的硅化物。当用浅槽隔离氧化硅隔离器件时，侧墙避免了多晶硅栅的侧面露出以及S/D的短路。经第一次快速退火处理后，通过氢氧化铵和双氧水的湿法化学刻蚀去掉了所有未参与反应的钛。留下的TiSi2覆盖在S/D区域和多晶硅栅的顶部。第二次快速硅化物退火在800-900℃之间进行，产生具有低电阻率的金属硅化物。金属类型金属类型■金属填充塞多层金属化产生了对通孔用金属塞填充的需要，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。目前被用于填充的最普通的金属是钨。当用化学气相淀积（CVD）的方法淀积薄膜时，钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力，因此被选做传统的填充材料。钨可抗电迁徙引起的失效，因此也被用做阻档层以禁止硅和第一金属层之间的扩散及反应。金属类型金属淀积系统用于半导体制造业的传