第十章 金属化与平坦化

1、1 2 3 4 5 6 7 8 接触接触 Early structures were simple Al/Si contacts. 早期结构是简单的早期结构是简单的AL/SiAL/Si接触接触 9 金属层和硅衬底形成什么接触？金属层和硅衬底形成什么接触？ 10 金属层和硅衬底的接触，既可以形成金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触，整流接触， 也可以形成也可以形成欧姆接触，欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂主要取决于半导体的掺杂 浓度及金半接触的势垒高度浓度及金半接触的势垒高度 Heavily doped N+ Si metal Ohmic Contact N- Si metal Schott

2、ky Contact 11 Al/N-Si势垒高度势垒高度 0.7eV 需高掺杂欧姆接触需高掺杂欧姆接触 半导体表面的半导体表面的晶体缺陷晶体缺陷和高复合中心和高复合中心杂质杂质 在半导体表面耗尽区中在半导体表面耗尽区中起复合中心作用起复合中心作用 q低势垒欧姆接触低势垒欧姆接触 一般一般金属和金属和P型半导体型半导体 的接触势垒较低的接触势垒较低 Al/p-SiAl/p-Si势垒高度势垒高度 0.40.4eVeV 12 13 14 15 16 ILD-4 ILD-5 ILD-6 Top Nitride Bonding pad Metal-5 (Aluminum) Metal-4 Via-4

3、Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers. Metal-3 铝互连铝互连 17 18 Gate 阻挡层金属 欧姆接触 铝、钨、铜等 SourceDrain Oxide 在在300300o oC C以上，硅就以一定比例熔于铝中，在此温以上，硅就以一定比例熔于铝中，在此温 度，恒温足够时间，就可在度，恒温足够时间，就可在Al-SiAl-Si界面形成一层很界面形成一层很 薄的薄的Al-SiAl-Si合金。合金。AlAl通过通过Al-SiAl-Si合金和接触孔下的合金和接触孔下的 重掺杂半导体接

4、触，形成欧姆接触重掺杂半导体接触，形成欧姆接触 Al-SiAl-Si系统一般合金温度为系统一般合金温度为450450o o500 500 19 金属和硅接触的问题金属和硅接触的问题- - 尖峰现象尖峰现象spiking problemsspiking problems 硅不均匀溶解到硅不均匀溶解到Al中，并向中，并向Al中扩散，硅片中留下中扩散，硅片中留下 空洞空洞 ,Al填充到孔洞填充到孔洞,引起短路引起短路 20 21 小丘短接的两条金属线 金属线中的空洞 22 铝铜合金铝铜合金 23 24 25 26 阻挡层金属阻挡层金属 铜铜 27 28 铜铜 钽钽 铜铜在硅和二氧化硅中都在硅和二氧化

5、硅中都有很高的扩散率有很高的扩散率，这种高扩，这种高扩 散率将破坏器件的性能。散率将破坏器件的性能。传统的阻挡层金属对铜来说阻挡传统的阻挡层金属对铜来说阻挡 作用不够，铜需要作用不够，铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层 封闭薄膜的作用是封闭薄膜的作用是加固附着加固附着并有效地并有效地阻止扩散。阻止扩散。 29 30 钛多晶硅化物 钛硅化物 多晶硅栅 掺杂硅 Figure 12.10 31 32 33 34 35 36 2. 钛淀积 Silicon substrate 1. 有源硅区 场氧化层 侧墙氧化层 多晶硅 有源硅区 3. 快速热退火处理 钛硅反应区

6、 4. 去除钛 TiSi2 形成 Self-aligned silicide (“salicide”) process 自对准硅化物工艺自对准硅化物工艺 SalicideSalicide 37 38 早期金属化技术 1. 厚氧化层淀积 2. 氧化层平坦化 3. 穿过氧化层刻蚀接触孔 4. 阻挡层金属淀积 5. 钨淀积 6. 钨平坦化 1. 穿过氧化层刻蚀接触孔 2. 铝淀积 3. 铝刻蚀 在接触孔 (通孔) 中的钨塞 氧化硅 (介质) 铝接触孔 氧化硅 (介质) 现代金属化技术 39 SiO2 40 41 42 Ti 2 准直钛淀积覆 盖通孔底部 间隙填充介质 铝 通孔 PECVD SiO2

7、1. 层间介质通孔刻蚀 3.CVD TiN 等角淀积 TiN 4. CVD 钨淀积 钨通孔 薄膜 5. 钨平坦化 钨填充 薄膜 Figure 12.23 钛钛充当了将钨充当了将钨 限制在通孔中限制在通孔中 的的粘合剂粘合剂；氮氮 化钛化钛充当钨的充当钨的 扩散阻挡层扩散阻挡层 43 44 SiO2 Table 12.5.1 45 Si3N4 Table 12.5.2 46 SiN Table 12.5.3 47 SiO2 Table 12.5.4 48 Photoresist Table 12.5.5 49 Table 12.5.6 50 阻挡层金属 Table 12.5.7 51 铜种子层

8、Table 12.5.8 52 铜层 Table 12.5.9 53 Copper 54 ILD ILD M1 Cu SiN Cu 通孔通孔和和金属层金属层的铜填充的铜填充同时进行同时进行，节省了工节省了工 艺步骤艺步骤并并消除了消除了通孔和金属线之间的通孔和金属线之间的界面界面 55 56 平坦化形式 描述 平滑化 阶梯高度的转角为圆滑的且侧壁是倾斜式的，但 其高度则未能明显降低。 部分平坦化 平滑化加上局部的阶梯高度降低。 局部平坦化 在较小间隙(1 到 10m) 或在晶粒间局部区域的 完全填充，跨于晶圆上相对与平面的整体阶梯高 度并未明显降低。 全面平坦化 完成局部平坦化加上跨于全晶圆的

9、整体阶梯高度 也有明显的降低，此又称为均一性。 57 e)e)全面平坦化全面平坦化 a)a)未平坦化未平坦化 b)b)平滑化平滑化 c)c)部分平坦化部分平坦化 d)d)局部平坦化局部平坦化 58 n局部平坦化局部平坦化的特点是在的特点是在一定范围一定范围的硅片的硅片 表面上表面上实现平坦化实现平坦化，主要技术为主要技术为旋涂玻旋涂玻 璃（璃（SOGSOG）法。法。SOGSOG是一种相当于是一种相当于SiO2SiO2的的 液相绝缘材料，通过类似涂胶的工艺，液相绝缘材料，通过类似涂胶的工艺， 将其有效地填满凹槽以实现将其有效地填满凹槽以实现局部平坦化局部平坦化。 n全局平坦化全局平坦化则主要通过

10、则主要通过化学机械抛光法化学机械抛光法 （CMPCMP）来实现，其特点是来实现，其特点是整个硅片表面整个硅片表面 上介质层是平整的。上介质层是平整的。 59 60 图（图（a a）刚沉积在有高低起伏的晶片表面刚沉积在有高低起伏的晶片表面 的介电层截面的介电层截面 （b b）经部分平坦化后的介电层外观；经部分平坦化后的介电层外观； （c c）具备局部平坦度的介电层具备局部平坦度的介电层 （d d）具备全面性平坦度的介电层具备全面性平坦度的介电层 制程启始于晶片制程启始于晶片 已完成第一层金已完成第一层金 属层的蚀刻；属层的蚀刻； 以以PECVDPECVD法沉法沉 积第一层积第一层SiOSiO2

11、2 进行进行SOGSOG的涂的涂 布与固化。布与固化。 在有回蚀的在有回蚀的SOGSOG制程中，上完制程中，上完 SOGSOG的晶片，将进行电浆干蚀的晶片，将进行电浆干蚀 刻，以去除部分的刻，以去除部分的SOG SOG 然后再沉积第二层然后再沉积第二层 PECVD SiOPECVD SiO2 2，而完成而完成 整个制作流程整个制作流程 至于至于“无加蚀无加蚀”的的SOGSOG制程，则在制程，则在 晶片上完晶片上完SOGSOG之后，直接进行第二之后，直接进行第二 层层PECVD SiOPECVD SiO2 2的沉积的沉积。 64 65 多孔的表面 圖 18.15 66 (Photo courte

12、sy of Speedfam-IPEC) 照片 18.2 67 研磨研磨用用磨料磨料 磨料喷嘴 旋转中的转 盘 抛光垫 磨头 连杆 磨头 背膜 硅片 圖 18.17 68 (Photo courtesy of Speedfam-IPEC) 照片 18.3 69 70 圖 18.23 1 Planarization by chemical mechanical polishing STI oxide after polish Liner oxide p+ Silicon substrate p- Epitaxial layer n-wellp-well Nitride strip 3 Oxide

13、 CVD 2 CMP之研磨 氧化物之CVD 研磨後STI氧化物 氮化物剝除 襯氧化物 p 磊晶層 p 矽基板 n井 p井 71 圖 18.24 n-wellp-well Oxide CMP 3 LI oxide p+ Silicon substrate p- Epitaxial layer 2Doped oxide CVD 1 Nitride CVD 摻雜氧化物之CVD 氮化矽之CVD氧化物之CMP LI氧化物 n井 p井 p 磊晶層 p 矽基板 72 圖 18.25 Oxide CMP ILD-1 oxide etch p+ Silicon substrate p- Epitaxial layer n-wellp-well 2 3 LI oxide ILD-1 oxide deposition1 ILD-1 ILD-1氧化物之沈積 氧化物之CMP