半導體制造工藝第6章金屬化課件

1、半導體制造工藝第1頁，共50頁。第6章金屬化第2頁，共50頁。第6章金屬化6.1概述6.2金屬化類型6.3金屬淀積6.4金屬化流程6.5金屬化質(zhì)量控制6.6金屬淀積的工藝模擬第3頁，共50頁。6.1概述6.1.1金屬化的概念在硅片上制造芯片可以分為兩部分：第一，在硅片上利用各種工藝（如氧化、CVD、摻雜、光刻等）在硅片表面制造出各種有源器件和無源元件。第二，利用金屬互連線將這些元器件連接起來形成完整電路系統(tǒng)。金屬化工藝（Metallization）就是在制備好的元器件表面淀積金屬薄膜,并進行微細加工，利用光刻和刻蝕工藝刻出金屬互連線，然后把硅片上的各個元器件連接起來形成一個完整的電路系統(tǒng)，并提

2、供與外電路連接接點的工藝過程。6.1.2金屬化的作用金屬化在集成電路中主要有兩種應用：一種是制備金屬互連線，另一種是形成接觸。1.金屬互連線第4頁，共50頁。6.1概述2.接觸1)擴散法是在半導體中先擴散形成重摻雜區(qū)以獲得N+N或P+P的結(jié)構(gòu)，然后使金屬與重摻雜的半導體區(qū)接觸，形成歐姆接觸。2)合金法是利用合金工藝對金屬互連線進行熱處理，使金屬與半導體界面形成一層合金層或化合物層，并通過這一層與表面重摻雜的半導體形成良好的歐姆接觸。圖6-1金屬互連線與半導體區(qū)之間的接觸第5頁，共50頁。6.2金屬化類型6.2.1半導體制造中對金屬材料的要求金屬化技術(shù)在中、小規(guī)模集成電路制造中并不是十分關(guān)鍵。但

3、是隨著芯片集成度越來越高，金屬化技術(shù)也越來越重要，甚至一度成為制約集成電路發(fā)展的瓶頸。早期的鋁互連技術(shù)已不能滿足高性能和超高集成度對金屬材料的要求，直到銅互連技術(shù)被應用才解決了這個問題。硅和各種金屬材料的熔點和電阻率見表61。為了提高IC性能，一種好的金屬材料必須滿足以下要求：1)具有高的導電率和純度。2)與下層襯底(通常是二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性。3)與半導體材料連接時接觸電阻低。4)能夠淀積出均勻而且沒有“空洞”的薄膜，易于填充通孔。5)易于光刻和刻蝕，容易制備出精細圖形。第6頁，共50頁。6.2金屬化類型6)很好的耐腐蝕性。7)在處理和應用過程中具有長期的穩(wěn)定性。表6-1硅和各

4、種金屬材料的熔點和電阻率(20C)表6-1硅和各種金屬材料的熔點和電阻率(20C)第7頁，共50頁。6.2金屬化類型6.2.2鋁與硅和二氧化硅一樣，鋁一直是半導體制造技術(shù)中最主要的材料之一。從集成電路制造早期開始就選擇鋁作為金屬互連的材料，以薄膜的形式在硅片中連接不同器件。直至21世紀初期，為了進一步提高IC性能，在較高性能的超大規(guī)模集成電路（VLSI）中開始應用銅互連技術(shù)。但鋁在集成電路制造中地位仍然非常重要，選擇鋁作為金屬互連線是因為鋁具有以下優(yōu)勢：1)較低的電阻率。2)鋁價格低廉。3)工藝兼容性。4)鋁膜與下層襯底(通常是硅、二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性。6.2.3鋁銅合金第8頁，

5、共50頁。6.2金屬化類型6.2.3鋁銅合金前文介紹到鋁存在電遷徙問題。電流是通過導體內(nèi)電子的移動產(chǎn)生的，電子在移動的過程中會與金屬原子發(fā)生碰撞。在大電流密度的情形下，大量電子對金屬原子的持續(xù)碰撞，會引起原子逐漸而緩慢的移動，這就電遷徙現(xiàn)象。由于金屬原子質(zhì)量遠遠大于電子的質(zhì)量，通常在導體橫截面積較大的情況下，不會考慮電遷徙現(xiàn)象。但是由于互連線的特征圖形尺寸越來越細，這時候鋁互連電遷徙現(xiàn)象引發(fā)的問題就更加明顯。鋁原子的移動導致導體中某些位置原子的損耗，以至于產(chǎn)生空洞，最終引起互連線局部減薄或變細，直至產(chǎn)生斷路。在導體的其他區(qū)域，鋁原子堆積起來則形成小丘，外在表現(xiàn)為金屬薄膜表面鼓出，如果有過多或大

6、量的小丘形成，可能會與毗鄰的連線短接在一起，如圖62所示。這些情況都是芯片在使用一段時間后才經(jīng)常發(fā)生。第9頁，共50頁。6.2金屬化類型電遷徙已經(jīng)變成影響芯片可靠性問題的重要因素，是集成電路中廣泛研究的失效機制問題之一。圖6-2由電遷徙引起的鋁互連線斷路與短路現(xiàn)象6.2.4銅1.銅的優(yōu)點1)更低的電阻率。第10頁，共50頁。6.2金屬化類型2)減少了功耗。3)更高的互連線集成密度。4)良好的抗電遷徙性能。5)更少的工藝步驟。2.銅在實際實用中的一些難題1)銅在氧化硅和硅中的擴散率很高。2)銅很難被刻蝕。3)在小于200低溫的空氣中，銅很快被氧化，而且這一層氧化膜不會阻止銅進一步氧化。第11頁，

7、共50頁。6.2金屬化類型圖6-3多層銅互連技術(shù)第12頁，共50頁。6.2金屬化類型6.2.5阻擋層金屬在上一節(jié)介紹到銅在硅和二氧化硅中都有很高的擴散率，如果銅擴散進入二氧化硅或硅中將破壞器件的性能，這也是銅互連遲遲未被采用的主要原因之一。事實上，很多金屬與半導體接觸并在高溫處理時都容易相互擴散，比如鋁和硅、鎢和硅相互擴散。為了防止上下層材料相互擴散必須在它們中間引入阻擋層金屬，如圖64所示。阻擋層金屬必須足夠厚，以達到阻擋擴散的目的，通常對于特征尺寸為025m的器件中阻擋層金屬厚度約100nm，而對于018m工藝水平的器件其阻擋層金屬厚度約20nm。1)能很好地阻擋材料的擴散。2)高電導率和

8、很低的歐姆接觸電阻。第13頁，共50頁。6.2金屬化類型圖6-4阻擋層金屬第14頁，共50頁。6.2金屬化類型3)在半導體和金屬之間有很好的附著能力。4)抗電遷徙能力強。5)保證在很薄和高溫下具有很好的穩(wěn)定性。6)抗侵蝕和抗氧化性好。圖6-5銅的阻擋層金屬6.2.6硅化物1.硅化物的形成原理第15頁，共50頁。6.2金屬化類型圖6-6硅化物在半導體器件中的用途第16頁，共50頁。6.2金屬化類型圖6-7自對準形成硅化物的步驟2.自對準方法形成硅化物第17頁，共50頁。6.2金屬化類型1)依次用有機溶液、稀釋過的氫氟酸和去離子水除去硅片自然氧化層和表面雜質(zhì)(也可使用氬離子濺射刻蝕去除)，接著干燥

9、硅片。2)將硅片置于金屬淀積腔內(nèi)，在硅片上淀積一層厚度為2035nm的金屬鈦薄膜。3)對硅片進行第一次快速熱退火，退火溫度為625675。4)通過氫氧化銨和過氧化氫的濕法化學去掉所有未參與反應的鈦。6.2.7鎢多層金屬化產(chǎn)生了數(shù)以十億計的通孔（Via，也稱過孔）。通孔是指兩金屬層之間形成電通路的介質(zhì)層開口，在通孔中淀積金屬后便形成孔填充塞?？滋畛淙墒箖蓪咏饘僦g或第一金屬層與器件區(qū)之間形成電通路。第18頁，共50頁。6.3金屬淀積6.3.1金屬淀積的方法金屬淀積需要考慮的是如何將金屬材料轉(zhuǎn)移到硅片表面，并在硅片表面形成具有良好臺階覆蓋能力、均勻的高質(zhì)量薄膜。最初人們想到的是加熱蒸發(fā)的方法，對

10、金屬材料進行加熱使之沸騰后蒸發(fā)，然后淀積到硅片表面。然而利用這種方法形成的薄膜臺階覆蓋能力和粘附力都較差，所以熱蒸發(fā)法只限于早期的中小規(guī)模半導體集成電路制造中使用。為了適應現(xiàn)代的超大規(guī)模集成電路制造的需要，人們隨后又想到另一種將金屬材料轉(zhuǎn)移到硅片表面的方法，這種方法稱為濺射。濺射是利用高能粒子去撞擊金屬靶材料，把金屬原子從靶材料中撞擊出來后淀積到硅片上。這種方法能形成有較好臺階覆蓋能力的高質(zhì)量薄膜。與化學氣相淀積（CVD）不同，蒸發(fā)和濺射在形成金屬薄膜的過程中沒有化學反應，屬于物理氣相淀積（PVD）。第19頁，共50頁。6.3金屬淀積6.3.2蒸發(fā)在半導體制造早期，蒸發(fā)法是最主要的金屬淀積方法

11、。然而為了獲得更好的臺階附覆蓋能力以及更高的淀積速率，從20世紀70年代的后期開始，在大多數(shù)硅片制造技術(shù)領域里濺射已經(jīng)取代蒸發(fā)。盡管如此，在一些對薄膜臺階附覆蓋能力要求不太高的中小規(guī)模集成電路制造中仍在使用蒸發(fā)法淀積金屬薄膜。在封裝工藝中，蒸發(fā)也被用來在晶片的背面淀積金，以提高芯片和封裝材料的粘合力。圖6-8蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖第20頁，共50頁。6.3金屬淀積1.加熱器圖6-9蒸發(fā)系統(tǒng)中的加熱方式2.片架3.真空系統(tǒng)1)準備。2)抽真空。第21頁，共50頁。6.3金屬淀積3)基片加熱。4)蒸發(fā)。5)取片。6.3.3濺射濺射是物理氣相淀積（PVD）的另一種淀積形式。與蒸發(fā)一樣，也是一個物理過程，但是

12、它對真空度的要求不像蒸發(fā)那么高，通入氬氣前后分別是10-7Torr和10-3Torr(1Torr=133322Pa)。濺射是利用高能粒子撞擊具有高純度的靶材料固體平板，按物理過程撞擊出原子，被撞出的原子穿過真空最后淀積在硅片上。第22頁，共50頁。6.3金屬淀積圖6-10濺射工藝的設備示意圖第23頁，共50頁。6.3金屬淀積1)濺射工藝適用于淀積合金，而且具有保持復雜合金原組分的能力。2)能獲得良好的臺階覆蓋。3)形成的薄膜與硅片表面的粘附性比蒸發(fā)工藝更好。4)能夠淀積難熔金屬。5)具有多腔集成設備，能夠在淀積金屬前清除硅片表面沾污和本身的氧化層(被稱為濺射刻蝕)。1.濺射方法(1)直流二極濺

13、射直流二極濺射是最早采用的濺射方法。(2)射頻濺射這種方法既可以淀積金屬，也可以淀積絕緣材料，是在大規(guī)模集成電路制造工藝中最常用的一種濺射類型。第24頁，共50頁。6.3金屬淀積圖6-11射頻濺射設備示意圖第25頁，共50頁。6.3金屬淀積(3)磁控濺射直流濺射離化率低，射頻濺射離化率有提高，但不顯著。2.多腔集成濺射裝備3.典型濺射設備操作步驟1)清洗程序: 用BOE溶液(溶液中水與HF緩沖液的體積比為901)腐蝕，溫度為23，用時為60s。 去離子水沖洗6次。 甩干。 用去離子水沖洗，然后用熱氮氣甩干。2)在“KEY”模式下輸入操作者使用號，操作屏立刻進入“SERVICE”模式。第26頁，

14、共50頁。6.3金屬淀積3)在操作屏“SERVICE”模式下按下“SELECT RECIPE”鍵，選擇所要求的菜單，選好菜單后打開濺射系統(tǒng)的S-槍電源或RF電源和RF網(wǎng)絡匹配電源。4)在操作屏“SERVICE”模式下按下“STANDBY”鍵和“ENABLE HEATERS”鍵。5)當?shù)谝缓泄杵跒R射時，如果要對第二盒硅片進行濺射，只要按下操作屏“LOAD”鍵。6)當?shù)谝缓凶?5片硅片濺射快結(jié)束時，屏幕會出現(xiàn)“UNLOAD/LOAD CASSETTE”。7)關(guān)閉濺射系統(tǒng)S-槍電源。4.濺射設備常見故障和解決辦法第27頁，共50頁。6.3金屬淀積1)濺射設備基礎壓力沒有達到規(guī)范值(不大于510-7

15、Torr)(1Torr=133.322Pa)。解決辦法：一般可調(diào)換陶瓷環(huán)來解決。2)氬氣用完。解決辦法：需更換新的氬氣鋼瓶。3)硅片不斷落在腔室里。 傳輸板定位不正確。 CLIP(橡皮環(huán))或陶瓷環(huán)屏蔽罩沒有安裝到位。解決辦法： 關(guān)閉RF電源，關(guān)閉加熱器電源，關(guān)閉濺射電源，放氣并打開腔室。第28頁，共50頁。6.3金屬淀積 調(diào)整傳輸板的定位，檢查“TABLE INSERT”(工作臺襯墊)表面是否有擦傷痕跡，如有擦傷需重新安裝。 關(guān)閉腔室，建立高真空，在真空度不大于510-5Torr(1Torr=133.322Pa)時，燒 打開所有電源，跑片2550片，冷泵再生。 冷泵再生后，跑片50片(打假片)

16、，反射率達到要求后，做BT(加偏壓、偏溫CV曲線)測試。 BT通過后，即可生產(chǎn)。第29頁，共50頁。6.3金屬淀積6.3.4金屬CVD對于金屬薄膜，更多的是選擇物理氣相淀積（PVD）法進行淀積，即蒸發(fā)和濺射。然而，化學氣相淀積（CVD）工藝在獲得優(yōu)良的等角臺階覆蓋和對高深寬比通孔無間隙式的填充等方面有著明顯的優(yōu)勢。當器件的特征尺寸減小到015m或更小時，金屬CVD的優(yōu)勢更加突出。所以在某些金屬層結(jié)構(gòu)中使用金屬CVD的方法進行淀積可以得到更好的效果，比如制備具有高深寬比的鎢塞和要求等角臺階覆蓋的薄銅種子層等。1.鎢CVD2.銅CVD第30頁，共50頁。6.3金屬淀積6.3.5銅電鍍電鍍（ECP）

17、是工業(yè)上傳統(tǒng)的鍍膜工藝之一。但是因電鍍制膜法存在較大污染和難以控制的工藝過程，在半導體制造中一直未被采用，直到銅互連技術(shù)的出現(xiàn)才被采用。銅電鍍工藝具有成本低、工藝簡單、無需真空支持、增大電流可提高淀積速率等優(yōu)點。已成為現(xiàn)代完成銅互連薄膜淀積的主要工藝。圖6-12銅電鍍原理示意圖第31頁，共50頁。6.3金屬淀積1.脈沖電鍍法2.添加劑法圖6-13溝槽中的三種添加劑和氯離子第32頁，共50頁。6.4金屬化流程6.4.1傳統(tǒng)金屬化流程 傳統(tǒng)的互連金屬是鋁銅合金（99%鋁，1%銅），并用SiO2作為層間介質(zhì)隔離層。以下是制備第二層金屬的傳統(tǒng)鋁互連技術(shù)的工藝流程。該過程中鋁被淀積為薄膜，然后被刻蝕掉（

18、減去）以形成電路。圖6-14第一層金屬第33頁，共50頁。6.4金屬化流程1. 第一層金屬(金屬1)2.通孔2的形成3.鎢塞2的形成圖6-15形成通孔2第34頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-16形成鎢塞2第35頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-17淀積金屬24.淀積金屬2第36頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-18刻蝕金屬25.刻蝕出互連線第37頁，共50頁。6.4金屬化流程6.4.2雙大馬士革流程銅金屬化在各方面的性能比鋁更具優(yōu)勢，半導體產(chǎn)業(yè)正在實現(xiàn)用銅做微芯片的互連材料。而傳統(tǒng)工藝中的干法刻蝕銅不能產(chǎn)生易揮發(fā)的副產(chǎn)物，因此銅不適合干法刻蝕。這個問題直接導致銅金屬化不能采用傳統(tǒng)的工藝

19、流程進行。雙大馬士革工藝是通過層間介質(zhì)刻蝕形成孔和槽，確定好線寬和圖形間距，然后將銅淀積至刻蝕好的圖形，再經(jīng)過化學機械拋光除掉多余的銅。利用這種方法不需要金屬刻蝕而且通孔和引線同時被制備好。所以使用雙大馬士革法完成銅金屬化成為最佳選擇。第38頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-19層間介質(zhì)淀積1.層間介質(zhì)淀積第39頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-20刻蝕金屬2的線槽2.金屬2的線槽刻蝕第40頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-21刻蝕通孔3.金屬層間通孔刻蝕第41頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-22淀積阻擋層金屬4.淀積阻擋層金屬第42頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-23淀積銅種子

20、層5.淀積銅種子層第43頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-24銅電鍍6.銅電鍍第44頁，共50頁。6.4金屬化流程圖6-25化學機械拋光7.用CMP清除額外的銅第45頁，共50頁。6.5金屬化質(zhì)量控制1.反射率的測量2.金屬膜厚的測量圖6-26薄層導體示意圖(1)方塊電阻估算導電膜厚度一種最實用的方法是測量方塊電阻Rs。第46頁，共50頁。6.5金屬化質(zhì)量控制圖6-27四探針儀示意圖(2)四探針法在半導體工廠中，廣泛使用測量方塊電阻的方法是四探針法。第47頁，共50頁。6.6金屬淀積的工藝模擬圖6-28鋁刻蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖第48頁，共50頁。6.6金屬淀積的工藝模擬圖6-29第49頁，共50頁。每一次的加油，每一次的努力都是為了下一次更好的自己。8月-228月-22Friday, August 5, 2022天生我材必有用，千金散盡還復