金属化-半导体制造技术剖析

半导体制造技术第12章金属化DELININSTITUTEOFTECHNOLOGY2课程大纲1.解释金属化之专有名词。2.能列出和说明晶圆制造中6种金属。讨论每一种金属的特性要求及应用。3.能解释铜金属化在晶圆制造中之优点。描述铜制程之挑战性。4.叙述溅镀之优点及缺点。5.叙述溅镀之物理特性及讨论不同的溅镀工具及应用。6.叙述金属CVD之优点及应用。7.解释铜电镀之原理。8.描述双镶嵌式制程之流程。3多层金属化层间介电质金属内联机结构硅基板之扩散区次0.25微米CMOS横切面具有钨插塞之介质孔内联机结构金属堆栈内联机区域内联机(钨)初始金属接触图12.14传统及镶嵌式金属化传统内联机流程氧化层介质孔-2蚀刻钨沈积＋CMP金属-2沈积＋蚀刻盖ILD层及CMP双镶嵌式流程盖ILD层及CMP氮化物蚀刻停止层(图案化及蚀刻)第二ILD层沈积及蚀刻穿过二氧化层铜充填铜CMP图12.25铜金属化(MicrographcourtesyofIntegratedCircuitEngineering)照片12.161.导电性2.附着性3.沈积4.图案及平坦化5.可靠度6.腐蚀性7.应力成功的金属材料之需求7硅及选用晶圆制造的金属(在20℃)材料熔點(C)電阻率(-cm)矽(Si)1412109多晶矽(DopedPoly)1412500–525鋁(Al)6602.65銅(Cu)10831.678鎢(W)34178鈦(Ti)167060鉭(Ta)299613–16鉬(Mo)26205白金(Pt)177210表12.18晶圆制造中所用的金属及合金铝铝－铜合金铜阻障层金属硅化金属金属插塞9铝内联机ILD-4ILD-5ILD-6TopNitrideBondingpadMetal-5(Aluminum)Metal-4Via-4Metal-4isprecededbyothervias,interlayerdielectric,andmetallayers.Metal-3图12.3金属-5接合垫(铝)上层氮化物金属-4介质孔-4金属-3金属-4是位于其他介质孔、层间介电质和金属层之上10奥姆接触结构闸极阻障层金属奥姆接触铝、钨、铜等源极汲极氧化层图12.411接面尖峰接面短路浅接面图12.512金属在线小丘状二金属线间小丘状导致短路金属线内之凹洞图12.613铜内联机的优点1.降低电阻率–铝内联机电阻率为2.65-cm，而铜可降至1.678-cm2.降低功率消耗3.紧密的构装密度4.优越的抗电迁移性5.较少的制程步骤–减少20至30%之制程步骤。14和0.25m组件比较，内联机延迟之变化技術0.25m0.18m0.13m傳統的內連線技術Al/Cu內連線及TiN阻障層金屬0+21%+93%新世代技術降低阻障層厚度低k(3.0)介電質雙鑲嵌式銅內連線及插塞-10%-27%-16%表12.215比较Al与Cu之性质／制程性質／製程AlCu電阻率(-cm)2.65(3.2forAl-0.5%Cu)1.678抗電遷移性低高抗腐蝕性(空氣中)高低蝕刻製程是否CMP製程是是表12.316在半导体内联机使用铜的3个主要的挑战难题1.铜很快速地扩散进入氧化物及硅中2.铜若使用一般的电浆蚀刻技术，将不易形成图案化3.在低温下(＜200℃)，铜在空气中易氧化且无法形成一保护层使氧化作用停止17铜内联机结构之阻障层阻障层金属铜图12.718佳的阻障层金属的重要性质1.使用阻障层金属使得在烧结温度下(意谓材料受热处理)两接口材料(如钨与硅)的扩散率是低的。2.高电子导电率，具有低的奥姆接触电阻。3.半导体和此金属间有好的附着性。4.佳的抗电迁移率。5.厚度薄及在高温下稳定度高。6.抗腐蚀及氧化。19铜阻障层金属的特殊需求1.防止铜扩散。2.低的薄膜电阻率。3.介电材料和铜之间有好的附着性。4.适合于CMP。5.金属层在高深宽比间隙中必须是连续的且有佳的阶梯覆盖能力。6.最小的厚度可使铜占有最大的横切面面积。20Ta作为铜阻障层金属铜钽图12.821在硅接触的耐高温硅化金属Ti/TiN阻障层金属钨金属Ti硅化金属接触硅基板多晶硅闸极Ti硅化金属(多晶硅化金属)接触氧化物氧化物源极汲极图12.922所选用硅化金属的某些性质矽化金屬最低共熔溫度(℃)一般形成溫度*(℃)電阻率(-cm)鈷／矽9005507001319鉬／矽141090011004070白金／矽8307008002835鉭／矽138590011003555鈦／矽13306008001317鎢／矽1440900110031表12.423多晶硅上的多晶硅化金属Ti多晶硅化金属Ti硅化金属多晶硅闸极经掺杂的硅图12.1024燒結溫度電阻率TiSi2–C49625–675C60–65-cmTiSi2–C54800C10–15-cm图12.11TiSi2的回火相25芯片之自我对准硅化金属结构STITiSi2STISGDTiSi2TiSi2TiSi2片电阻降低降低闸极至S/D间阻值接触阻值降低二极管漏电流降低图12.1226自我对准硅化金属(Salicide)之形成2.钛沈积硅基板1.硅主动区场氧化层间隙壁氧化层多晶硅硅主动区3.快速热回火处理钛－硅反应区域4.钛去除TiSi2形成图12.1327多重金属层的钨插塞早期金属化技术1.厚氧化层沈积2.氧化层平坦化3.穿过氧化层之蚀刻接触4.阻障层金属沈积5.钨沈积6.钨平坦化1.穿过氧化层之蚀刻接触2.铝沈积3.铝蚀刻接触窗内(介质孔)之钨插塞氧化层(介电质)铝接触氧化层(介电质)现行金属化技术图12.1428毯覆性铝蚀刻SiO2(MicrographcourtesyofIntegratedCircuitEngineering)照片12.2插塞多晶硅闸极29金属沈积系统物理气相沈积蒸镀溅镀金属CVD铜电镀30简易的蒸镀机粗抽帮浦高真空阀高真空帮浦制程反应室(钟罩式)坩锅蒸镀金属晶圆承载器图12.1531溅镀的优点1.易于沈积且可维持合金成分。2.可沈积高温及耐高温金属。3.可控制沈积均匀的薄膜于大晶圆上(200nm或更大)。4.多重反应室群集机台可于金属沈积前清除晶圆表面污染物及原生氧化物(称之为现场溅镀蚀刻(insitusputteretch)。32DC二极溅镀系统之简单平行板抽出e-e-e-DC二极溅镀机基板1)电场形成Ar离子2)高能Ar离子撞击金属靶3)金属原子从靶材移出阳极阴极氩原子电场金属靶电浆5)基板上沉积金属6)过多的物质藉由真空帮浦从反应室中移出4)金属原子往基板移动气体传送+++++图12.1633从溅镀靶材表面移出金属原子+0高能Ar离子被溅击出之金属原子金属原子阴极(－)反弹之氩离子和自由电子结合以形成中性原子图12.1734溅镀产额和下列条件有关系1.轰击离子的入射角。2.靶材的组成及几何形状3.轰击离子的质量。4.轰击离子的能量。35落于基板上之不同物质阳极(+)阴极(－)电场金属靶源自辉光电浆之光子溅击出之原子基板高能电子中性原子＋离子包含杂质源自靶轰击之X射线－离子–e-图12.18363种溅镀系统形式RF(射频)磁控IMP(离子化金属电浆)37RF溅镀系统氩气气体流量控制器涡轮帮浦RF产生器匹配之网络微控制器操作接口抽出平盘电极靶材基板电容粗抽帮浦压力控制器气体盘图12.1938磁控溅镀DC功率供应热晶圆平盘磁铁氩气进入真空帮浦靶材阴极图12.2039准直管溅镀介质孔之溅镀薄膜覆盖之横切面Ar靶材准直管准直管溅镀系统图12.2140离子化金属电浆基板电极电极钛靶材++RF场高能＋Ar离子＋Ti离子溅击出之Ti原子e-e-电浆DC供应RF产生器DC场DC偏压供应图12.22感应线圈41金属CVD•钨CVD–有优异的阶梯覆盖及填沟–抗电迁移性佳•铜CVD–优越的均匀性42用Ti/TiN阻障层金属之毯覆性钨CVDTi2.平行式Ti沈积覆于介质孔之底部填沟介电质铝介质孔PECVDSiO21.层间介质孔蚀刻3.CVDTiN均匀沈积TiN4.CVD钨沈积钨充填介质孔5.钨平坦化钨插塞图12.2343PVD群集机台照片12.3(PhotocourtesyofAppliedMaterials,Inc.)44铜电镀阴极(-)+铜阳极基板电铜溶液Inlet出口出口铜离子铜原子附于晶圆上++图12.2445铜电镀机台(PhotocourtesyofNovellus)照片12.446照片12.4毯覆性铝蚀刻(MicrographcourtesyofIntegratedCircuitEngineering)插塞多晶硅闸极47使用双镶嵌之铜金属化制程步骤:SiO2沈积说明:以PECVD法沈积ILD氧化层至介质孔所需的厚度。填沟并不是很关键，因此PECVD法是可接受使用。.SiO2表12.5.148制程步骤:SiN蚀刻停止层之沈积说明:在ILD氧化层上沈积薄的(250Å)SiN蚀刻停止层。此SiN必须是稠密且无针孔，因此，可使用HDPCVD法。SiN使用双镶嵌之铜金属化表12.5.249使用双镶嵌之铜金属化制程步骤:介质孔图案化及蚀刻说明:以光学微影形成图案并以干蚀刻在SiN形成介质孔。蚀刻结束后去除光阻。SiN表12.5.350使用双镶嵌之铜金属化制程步骤:再沈积SiO2说明:于ILD氧化层上沈积PECVD氧化层。SiO2表12.5.451使用双镶嵌之铜金属化制程步骤:内联机图案化说明:微影以光阻形成SiO2沟渠图案。前面的介质孔开口位于沟渠中。光阻表12.5.552使用双镶嵌之铜金属化制程步骤:内联机用之沟渠蚀刻及介质孔用之孔洞说明:于ILD氧化层中干蚀刻至SiN层上成沟渠。继续蚀刻经由SiN开口形成介质孔。表12.5.653使用双镶嵌之铜金属化制程步骤:沈积阻障层金属说明:以离子化PVD在沟渠及介质孔的底部及侧壁沈积Ta或TaN扩散层。阻障层金属表12.5.754使用双镶嵌之铜金属化制程步骤:沈积Cu晶种层说明:沈积连续的Cu晶种层，此层必须是均匀的且无针孔。Cu晶种层表12.5.855使用双镶嵌之铜金属化制程步骤:沈积Cu充填说明:以电化学沈积(ECD)方法沈积Cu，以充填介质孔开口及沟渠。铜层表12.5.956使用双镶嵌之铜金属化制程步骤:以CMP方式去除多出的Cu说明:以化学机械平坦化(CMP)方式去除多出的Cu，这使表面平坦，作为后续制程之准备。此平坦表面是在介电质中有金属镶嵌，以形成电性回路。铜表12.5.10