金属化

金属化金属化：应用物理或化学的方法在芯片上淀积导电金属薄膜的过程。互连：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。接触：指硅芯片内的期间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比邻的另一层金属层形成电路的开口。填充薄膜：指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属层之间形成电连接。多层金属化金属化技术对于提高IC的性能很关键，对于传统的IC技术而言，由互联线引起的信号延迟使得芯片的性能降低不是关注的焦点，因为在传统器件中，主要信号延迟是由器件引起的，然而，对于新一代ULSI产品制造业而言情况就不同了，金属布线越密，互联线引起的信号延迟占去时钟周期的部分就越大，对IC性能的制约影响也越大。金属材料的要求•1、导电率：为维持电性能的完整性，必须具备高电导率，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。•3、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份。•4、可靠性：为了在处理和应用过程中经受住温度的变化，金属应相对柔软且有较好的延展性。•5、抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，在层与层之间以及一下的器件区具有最小的化学反应。•6、应力：很好的机械应力特性以便减少硅片的扭曲和材料失败，比如断裂、空洞的形成和应力诱导腐蚀。金属类型•铝•铝铜合金•铜•阻挡层金属•硅化物•金属填充物铝铝是硅片制造中最重要的材料之一，铝的优点：•1、铝在20°时具有低电阻率，但比铜、金、银的电阻率稍高，然而铜和银都比较容易腐蚀，在硅和二氧化硅中有高的扩散率，金和银比铝昂贵，而且在氧化膜上附着不好。•2、铝能够很容易和氧化硅反应，加热生成氧化铝，这促使了氧化硅和铝之间的附着，铝能够轻易的淀积在硅片上，可用湿法刻蚀而不影响下层薄膜。•缺点：电迁移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损耗，这样在负极就产生了空洞，引起连线减薄，就会引起断路，在导体的其它区域，由于金属原子的堆积，金属原子堆起来形成小丘，小丘在金属薄膜的表面鼓起，如果过多或大量的小丘形成，比邻的连线或者两层之间的连线就有可能短接在一起，引起短路。铝互连欧姆接触•概念：金属和半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Activeregion)而不在接触面。•在改进欧姆接触早期工作遇到的困难是：在加热过程中，铝和之间出现了不希望出现的反应，该反应导致接触金属和硅形成微合金，这一过程被成为结“穿通”。同时硅向铝中扩散，在硅中留下了空洞。当纯铝和硅界面被加热时结尖刺发生，导致结短路，结穿通•解决办法：•铝硅合金如果铝中已经有硅，哪么衬底向铝中溶解的速度就会减慢，然而硅在铝中形成合金的量是有限的，由于硅在铝中凝结，可能导致小的硅高浓度区域的形成，这就会增加接触电阻。•阻挡层金属铝铜合金•由铝和铜形成的合金，当铜的含量在0.5%到4%之间时，其连线中的电迁移得到控制，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。铜IC互连金属化引入铜的优点：•1、电阻率的减少：在20°时，互连金属线的电阻率比铝在20°时的电阻要小，减少了信号延迟，增加芯片的速度。•2、减少了功耗：减少了线的宽度，降低了功耗。•3、更高的集成密度：更窄的线宽，允许更高密度的电路集成，•4、良好的抗迁移性能•5、更少的工艺步骤对铜的挑战•1、铜很快扩散进氧化硅和硅，这使人担心铜扩散进硅的有源区而损坏器件，因为这将引起氧化硅漏电。•2、应用常规的等离子刻蚀工艺，铜不容易形成图形，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。阻挡层金属•阻挡层金属是淀积在硅和金属塞之间的一层金属。可以阻止上下层材料互相混合，消除浅结材料扩散或结尖刺的问题，提高欧姆接触可靠性。常规的阻挡层金属有钨，钛，钼，铂，钽。可接受的阻挡层金属的基本特性•1、很好的阻挡扩散特性。•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很好的附着。•4、抗电迁移。•5、在很薄并且高温下具有很好的稳定性。•6、抗侵蚀和氧化。铜阻挡层金属•铜在硅和二氧化硅中都有着很高的扩散率，这种高扩散率将破坏器件的性能，传统的阻挡层金属对铜来说阻挡作用不够，铜需要一层薄膜阻挡层完全封装起来，这层金属薄膜的作用就是加固附着并有效的阻止扩散，对铜来说这个特殊的阻挡层金属要求如下：•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钽作为铜的阻挡层金属硅化物•难溶金属和硅在一起发生反应，熔合时形成硅化物，硅化物是一种热稳定性的金属化合物，并且在硅/难溶金属的分界面具有低的电阻率，可以减小源漏和栅区硅接触的电阻。•如果难熔金属和多晶硅反应，那么它成为多晶硅化物，惨杂的多晶硅被用做栅电极，有较高的电阻率，这导致了不应有的RC信号延迟，多晶硅化合物对减小连接多晶硅的串联电阻是有益的•硅化物的形成通常是要求把难熔金属淀积在硅片上，接着在进行高温退火以形成硅化物材料，在有硅的区域，金属与硅反应形成硅化物，在其他有二氧化硅保护的区域，又很少或没有硅化物形成。•TiSi2对硅片制造而言，传统上已经是最普通的接触硅化物，它用做晶体管硅有源区和钨填充薄膜之间的接触，紧紧的把钨和硅粘合在一起，有很高的高温稳定特性以及更低的电阻。金属填充塞•多层金属化生产了对数以十亿计的通孔用金属填充塞的需要，以便在两层金属之间形成电通路，接触填充塞也被用与连接硅片中硅器件和第一层金属化，目前被用于填充的最普遍的金属是钨，钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力，钨可以抗电迁移引起的失效，因此也被用于做阻挡层以禁止硅和第一层金属之间的扩散反应，钨是难熔材料，熔点3417°。多层金属的钨填充塞金属淀积系统•半导体制造业的传统金属化工艺分为物理气象淀积（PVD）和化学气象淀积(CVD)。•在小规模和中规模半导体集成电路制造时代，蒸发是金属化方法，由于蒸发台阶覆盖的特性差，然后被溅射取代，随着集成电路的发展，铜电镀技术逐渐在各个领域得到发展。•传统的淀积系统包括：•蒸发•溅射•金属CVD•铜电镀蒸发•蒸发是将待蒸发的材料放置进坩埚，在真空系统中加热并使之蒸发，淀积在硅片表面。最典型的方法是利用电子束加热放置在坩埚中的金属，在蒸发器中通过保持真空环境，蒸气分子的平均自由程增加，并且在真空腔里以直线形式运动，直到它撞到表面凝结形成薄膜。•蒸发的最大缺点是不能产生均匀的台阶覆盖，逐渐被拥有很好台阶覆盖的溅射所取代。•另一缺点是对淀积合金的限制，为了淀积由多材料组成的合金，蒸发器需要有多个坩埚，这是因为不同材料的蒸气压是不同的简单的蒸发装置溅射•溅射是一个物理过程，在溅射过程中，高能粒子撞击具有高纯度的靶材料固体的平板，按物理过程撞击出原子，这些被撞击出的原子穿过真空，最后淀积在硅片上。•溅射的优点：•1、具有淀积并保持复杂合金原组份的能力•2、能够淀积高温熔化和难熔金属•3、能够在直径200毫米或更大的硅片上控制淀积均匀的薄膜•4、具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片表面玷污和本身的氧化层。简单平行金属板直流二极管溅射系统•基本溅射过程1、在高真空腔等离子体产生正氩离子，并向具有负电势的靶材料加速。2、在加速过程中离子获得动量，并轰击靶。3、离子通过物理过程从靶上撞击出原子，靶具有想要的材料组份。4、被轰击的原子迁移到硅片表面。5、被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成薄膜，与靶材料比较，薄膜具有与它基本相同的材料组分6、额外材料由真空泵抽走。•除了被溅射的原子被轰击外，还有其他核素淀积在衬底上，这些核素给衬底加热，引起了薄膜淀积的不均匀，在铝的淀积过程中，高温也能产生不需要的铝氧化，这妨碍了溅射过程，在二极管溅射期间，许多核素撞击硅片表面，由于对灵敏度器件的辐射，也增加损坏的可能性。不同核素淀积在衬底上金属CVD•由于化学气相淀积具有优良等角的台阶覆盖以及对高深宽比接触和通孔无间隙的填充，在金属淀积方面得到了深入研究。•钨CVD钨薄膜淀积特性取决于硅片表面的化学反应，通常是采用WF6和H2之间的反应，产生钨和氟化氢气体。•在淀积薄膜钨过程中的第一步是淀积钛/氮化钛阻挡层，在氮化钛淀积之前，以便它和下层材料反应，降低接触电阻，氮化钛作为钨的阻挡层金属和附着加固剂，可以有效的避免钨攻击下层材料。铜电镀•铜电镀的基本原理是将具有导电表面的硅片沉浸在硫酸铜溶液中，这个溶液中包含需要淀积的铜，硅片和种子层作为带负电荷的平板或阴极电连接到外电源。固体铜块沉浸在溶液中构成带正电的阳极，电流从硅片进入溶液到达铜阴极，当电流流动时，发生如下反应：CueCu022电镀过程中，金属铜离子在硅片表面阴极被还原程金属铜离子，同时在铜阳极发生氧化反应，以此平衡阴极电流，维持了容易中的电中和。金属化过程•1、解释下列名词：金属化、互连、接触和通孔•2、列出金属用于硅片制造的要求•3、解释铝被选择作为芯片互连金属的原因•4、什么是欧姆接触？它的优点是什么？•5、描述结尖刺并列出两种解决的主要办法•6、描述电迁移•7、列出铜金属化的优点•8、什么是阻挡层金属？阻挡层材料的基本特性？那些金属常被用做阻挡层金属？•9、为什么蒸发作为金属淀积系统被取代？•10、描述溅射的工作方式