西安交通大学微电子制造技术第十二章金属化

电信学院微电子学系1微电子制造技术微电子制造技术第12章金属化电信学院微电子学系2微电子制造技术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。电信学院微电子学系3微电子制造技术学习目标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。电信学院微电子学系4微电子制造技术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。电信学院微电子学系5微电子制造技术层间介质金属互连结构在硅中扩散的有源区亚0.25µmCMOS剖面具有钨塞的通孔互连结构复合金属互连局部互连（钨）初始金属接触Figure12.1多层金属化电信学院微电子学系6微电子制造技术层间介质（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）。电信学院微电子学系7微电子制造技术传统互连流程氧化硅通孔2刻蚀钨淀积+CMP金属2淀积+刻蚀覆盖ILD层和CMP双大马士革流程覆盖ILD层和CMP氮化硅刻蚀终止层(光刻和刻蚀)第二层ILD淀积和穿过两层氧化硅刻蚀铜填充铜CMPFigure12.2传统金属化工艺和大马士革金属化工艺比较电信学院微电子学系8微电子制造技术Photo12.1铜金属化电信学院微电子学系9微电子制造技术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.应力金属类型电信学院微电子学系10微电子制造技术材料熔点(C)电阻率(-cm)硅(Si)1412109掺杂的多晶硅1412500–525铝(Al)6602.65铜(Cu)10831.678钨(W)34178钛(Ti)167060钽(Ta)299613–16钼(Mo)26205铂(Pt)177210Table12.1硅片制造业中所选择的金属(at20°C)电信学院微电子学系11微电子制造技术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•金属填充塞电信学院微电子学系12微电子制造技术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。电信学院微电子学系13微电子制造技术ILD-4ILD-5ILD-6TopNitrideBondingpadMetal-5(Aluminum)Metal-4Via-4Metal-4isprecededbyothervias,interlayerdielectric,andmetallayers.Metal-3Figure12.3铝互连电信学院微电子学系14微电子制造技术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。电信学院微电子学系15微电子制造技术Gate阻挡层金属欧姆接触铝、钨、铜等SourceDrainOxideFigure12.4欧姆接触结构电信学院微电子学系16微电子制造技术结“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。结短路浅结Figure12.5电信学院微电子学系17微电子制造技术铝铜合金：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，芯片温度会随着电流密度而增加，两者都会使铝芯片金属化更易引起电迁徒。小丘短接的两条金属线金属线中的空洞Figure12.6电信学院微电子学系18微电子制造技术IC互连金属化引入铜的优点1.电阻率的减小：在20℃时，互连金属线的电阻率从铝的2.65-cm减小到铜的1.678-cm；减少RC的信号延迟，增加芯片速度。2.功耗的减少：减小了线条电阻，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，这意味着需要更少的金属层。4.良好的抗电迁徙性能：铜不需要考虑电迁徒问题。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％to30%的潜力。电信学院微电子学系19微电子制造技术工艺技术0.25m0.18m0.13m传统互连技术：铝/铜互连合金和氮化钛阻挡层金属0+21%+93%新一代技术：减少阻挡层的厚度低-k值(3.0)介质双大马士革铜互连和填充薄膜-10%-27%-16%Table12.2与0.25-m器件比较互连延迟的变化电信学院微电子学系20微电子制造技术特性/工艺AlCu电阻率(-cm)2.65(3.2forAl-0.5%Cu)1.678抗电迁徒LowHigh空气中抗侵蚀(inair)HighLow刻蚀、CVD工艺YesNoCMP化学机械平坦化工艺YesYesTable12.3铝和铜之间特性和工艺的比较电信学院微电子学系21微电子制造技术对铜的挑战与传统的铝互连比较，用铜作为金属互连主要涉及三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝金属化技术，在铜应用于IC互连之前必须解决：1.铜的快速扩散将进入氧化硅和硅中，一旦铜扩散进入器件的有源区，将会损坏器件。2.应用常规的等离子体刻蚀工艺，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，而这一点对于经济的干法刻蚀是必不可少的。3.低温下(＜200℃)空气中，铜会很快被氧化，而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。电信学院微电子学系22微电子制造技术提高欧姆接触及可靠性更有效的方法是用阻挡层金属化，这种方法可消除诸如浅结材料刻蚀或结尖刺的问题。阻挡层金属是淀积金属或金属塞，作用是阻止层上下的材料互相混合(见下图)。其厚度对0.25µm工艺来说为100nm；对0.35µm工艺来说为400～600nm。阻挡层金属铜Figure12.7用于铜互连结构的阻挡层电信学院微电子学系23微电子制造技术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：1.有很好的阻挡扩散作用；2.高导电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.对很薄的厚度在高温下具有很好的稳定性；6.抗侵蚀和氧化。电信学院微电子学系24微电子制造技术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作用不够，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：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、等角的；6.允许铜有很小的厚度，占据最大的横截面积。电信学院微电子学系25微电子制造技术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75Å），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铜钽Figure12.8电信学院微电子学系26微电子制造技术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(见图12.9)。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。如果难熔金属和多晶硅反应。那么它被称为多晶硅化物（见图12.9）。掺杂的多晶硅被用作栅电极，相对而言它有较高的电阻率（约500µΩ-cm），正是这导致了不应有的RC信号延迟。多晶硅化物对减小连接多晶硅的串联电阻是有益的，同时也保持了多晶硅和氧化硅好的界面特性。电信学院微电子学系27微电子制造技术钛/钛钽阻挡层金属金属钨钛硅化物接触Siliconsubstrate多晶硅栅钛硅化物接触OxideOxideSourceDrainFigure12.9硅接触上的难溶金属硅化物电信学院微电子学系28微电子制造技术硅化物最低熔化温度(C)形成的典型温度(C)电阻率(-cm)钴/硅(CoSi2)900550–70010–18钼/硅(MoSi2)1410900–1100100铂/硅(PtSi)830700–80028–35钽/硅(TaSi2)1385900–110035–45钛/硅(TiSi2)1330600–80013–25钨/硅(WSi2)1440900–110070Table12.4硅化物的一些特性电信学院微电子学系29微电子制造技术烧结的温度电阻率TiSi2–C49625–675C60–65-cmTiSi2–C54800C10–15-cmFigure12.11TiSi2的退火相电信学院微电