Chap13-金属化

1、半導體製程(4版)Microchip Fabrication第13章:金屬化Peter Van Zant 著姜庭隆 譯 李佩雯 校閱滄海書局中 華 民 國 90 年 11 月 28 日 摘要 晶片製造主要階段前段製程(front end of the line, FEOL)在晶圓表面/中間製造出主動/被動元件後段製程(back end of the line, BEOL)將連接元件間/不同層間所需的金屬 (線路) 加入晶片 金屬化(metallization) 將零件接線wiring (金屬膜) 用到的材料、方法、製程 真空蒸鍍機 濺鍍機 真空幫浦 (vacuum pumps) 油擴散幫浦、渦

2、輪式幫浦、低溫高真空幫浦 單層金屬導體技術1.部分區域被摻雜的晶圓 2. 圖案成形： 將接點微影出 3. 加層： 加上導電層 4. 圖案成形：將金屬導線微影出 圖13.1 金屬化的程序 金屬線必須 攜帶電流的能力良好 和晶圓表面的黏結性良好(通常表面為二氧化矽) 和晶圓材料的接觸電性良好 純度高 耐腐蝕 長時間穩定 能夠沈積為不含孔隙或表面平坦的膜 晶粒結構均勻多層金屬導體技術 金屬堆疊層由加入阻障層(barrier layer)開始 -矽表面形成矽化物以在矽表面和另一層間產生低電阻 -如果導電材料是鋁，阻障層可避免鋁和矽接觸而形成合金化 加入金屬間介電層(intermetallic diel

3、ectric layer, IDL或IMD) 提供金屬層間的絕緣 材料：沈積的氧化物、氮化矽、聚亞醯胺 金屬間介電層被蝕刻出接點孔(導孔vias梢孔、栓塞孔plugs ) 藉沈積法將金屬填入導孔，產生導電栓塞 用沈積加入第一層金屬層 圖13.3 兩種金屬堆疊 導電材料1. 鋁鋁的缺點導電性不如銅，金金的缺點 -和矽的接觸阻抗值高 -用鉑(platinum)做中間層，鉬(molybdenum)做頂層克服金的軟銅的缺點-和矽的接觸阻抗值高-若銅摻入元件內會破壞元件效能鋁的優點-阻抗係數很低 (2.7微歐母公分)-傳送電流的密度佳-和二氧化矽的黏合性極佳-高純度的鋁取得不難-可使用傳統的光阻製程成形

4、C4502. 鋁和矽形成的合金為使接觸電性穩定，須對鋁和矽界面烘烤共熔成形溫度(eutectic formation point) -兩種材料在接觸下被加熱， 熔化溫度低於個別熔化溫度 -鋁矽共熔成形溫度450C 烘烤的問題-熔化的合金可能沈入晶圓-若晶圓表面有淺層接合界面則合金區延伸過接合界面，造成短路 解決方法-使用金屬阻隔層，將鋁和矽隔開-使用含有1至2%的矽之鋁合金 圖13.4 鋁和矽在接點處的 共熔合金現象 3. 鋁和銅形成合金鋁的電遷移(electromigration)問題高電流通過鋁導線時-電流在導線中建立電場，-電流產生熱會沿導線成溫度梯度(gradient) ，導線中的鋁沿

5、此兩種梯度方向移動，嚴重時使導線斷裂解決電遷移的問題沈積含有0.54% 銅或含0.10.5% 鈦的鋁合金解決合金問題及電遷移的問題沈積含有銅和矽的鋁合金沈積鋁合金的缺點 沈積設備和製程的複雜度升高 蝕刻速率不同 鋁合金的膜阻抗值比純鋁高25%至30% 4.銅 IBM/ Motorola公司1998年提供銅製程技術鋁的缺點-阻抗高，訊號延遲(RC常數高) -不易沈積入高外形比的導孔或栓塞孔中減少鋁阻抗的方法-阻障金屬技術、堆疊-難熔金屬(refractory metals) 銅製程的優點-阻抗比鋁小-不產生電遷移現象，和低K材料(矽化鈷)配合，RC常數減低400%-CVD法、PECVD法、濺鍍、

6、無電膜鍍、電鍍法(低溫下)沈積-銅製程的缺點-技術太新缺乏學習曲線(經驗)-蝕刻的問題-易被刮傷、腐蝕-為防銅滲入矽中需要阻隔金屬%400 雙嵌刻製程(dual damascene process)嵌刻damascene在介電層中形成溝槽，沈積入金屬，常沈積過多溢出再用CMP法使表面平坦圖13.5雙嵌刻使用銅作為導線/栓塞金屬(傳統製程用鎢)(步驟3至步驟6)形成栓塞孔和溝槽(步驟7) 在栓塞孔溝槽內-沈積/濺鍍阻障金屬(鉭tantalum及氮化鉭) -沈積/濺鍍一層薄的銅種子(seed)層作為電鍍銅時所需要的起始層(步驟8) 將金屬沈積入栓塞孔和溝槽內(步驟9) 用 CMP 加工使表面平坦

7、圖13.5 雙崁刻和銅製程 阻障金屬(barrier metals)鋁製程: 防止矽和鋁形成共熔合金材料鈦化鎢 (TiW) 、氮化鈦 (TiN)濺鍍/沈積法-先形成一層矽化鉑-將鈦化鎢沈積入接觸點的開孔處熱氮化法(600C)於氮氣或氨 (NH3) 氣的環境下將鈦氮化銅製程: 防止銅滲入矽中破壞元件材料氮化鈦、鉭、氮化鉭 難熔金屬(refractory metals)和難熔金屬矽化物(silicides)優點阻抗係數、接觸阻抗較低目的在MOS，作為填滿栓塞孔(plug filling) 、阻障、或導電層材料-鈦 (Ti)、鎢 (W)、鉭 (Ta) 及鉬 (Mo) -鎢常用作鋁和矽間的阻障材料、M

8、OS的閘極中間層、栓塞-和矽形成合金時生成矽化物(WSi2 , TiSi2 , TaSi2 , MoSi2)製程法低壓化學氣相沈積(LPCVD)和濺鍍*銅製程的優點銅可用作栓塞材料，系統中僅使用一種金屬，可免去中間層的金屬阻抗有摻雜的多晶矽目的MOS的矽閘用沈積多晶矽為電極平板材料-摻雜以增加導電性，作導體使用-常用磷為摻雜物（在矽中的固態溶解度高）優點-和矽晶圓間有良好的歐姆接觸-可被氧化形成絕緣層金屬膜的用途1. MOS閘極(gate)和電容的電極(electrodes)2. 熔絲-使可程式唯讀記憶體(PROM)被創造-並非保護元件，而是造成斷路構造主要有二類-由位於兩金屬導線之間的鎳鉻合

9、金、鈦鎢合金、或多晶矽被通過的電流脈衝燒斷的“頸部”-在接觸孔內的薄層多晶矽或氧化物，當高電流通過此層時產生熱量將此層燒 斷3. 晶圓背面電鍍蒸鍍法將黃金(封裝中作焊料solder)鍍在晶背圖13.8 使用熔絲的記憶組列 圖13.9 薄膜熔絲 沈積的方法真空蒸鍍法(Vacuum Evaporation)1970年代以前主要的金屬沈積法將金屬沈積在個別元件/低整合度的電路晶片上蒸發原料的系統電熱絲(filaments) 電子射束(electron beam) 快閃式熱平板(flash hot plate) 圖13.10 真空蒸鍍 電熱絲-簡單，不重要的工作-溫度沿熱絲變化，不易控制-原料和熱絲內

10、的雜質被蒸發-不能沈積合金(因不同元素蒸發速率不同)電子束槍(E-beam gun)簡稱E-gun-水冷銅坩鍋-坩鍋下方有高溫電熱絲，釋放電子-磁場使電子旋轉撞擊鋁材，鋁熔化蒸發-適用於元素原料(鋁或金)，合金不適用熱平板，或快閃式系統-解決電子槍蒸鍍合金的困難-極細合金線接觸熱平板，瞬間熔成蒸氣-鍍膜成分和合金線材成分極為相近 圖13.11 用電子鎗將蒸鍍原料熔化 圖13.12 快閃式蒸鍍原料 真空蒸鍍機的挑戰 均勻性、良好的階梯覆蓋性 解決法-使用旋轉行星式晶圓夾承圓頂-石英加熱器使原子到晶圓表面 時仍維持運動力，藉毛細作用填入階梯階梯處部分未被鍍到在階梯處太薄優良 圖13.13 階梯的覆

11、蓋性 圖13.14 將晶圓以行星位置排列 並旋輚的夾承座 濺鍍沈積法(sputter deposition 濺鍍sputtering)-1852年威廉羅勃葛洛夫 (William Robert Grove) 爵士設計-廣泛用在人工珠寶鍍色，光學透鏡或玻璃上的鍍膜-可將任何材料沈積在任何基材上-物理氣相沈積 ( (physical vapor deposition, PVD)physical vapor deposition, PVD)濺鍍原理 -靶(target原料)被接地(負電 )-氬原子被離子化(正電)-氬離子被靶板吸引，撞擊靶板-氬離子將靶板原子敲出 (濺的動作sputtering)-濺

12、出的靶原子，一部分到達晶圓上 圖13.15 濺鍍原理 主要特色靶材沈積在晶圓上時，不會造成任何化學變化或成分改變直接利益 -沈積合金和介電材料 -善階梯的覆蓋性 -膜和晶圓表面間的黏著性比蒸鍍法好濺鍍方法二極式電偶diode (直流) 二極式電偶diode (射頻RF高週波) 三極式電偶triode磁電式magnetron/ 二極式濺鍍 (diode sputtering)-靶材接負電位，晶圓夾承座陽極-負電的靶材放出電子，向陽極加速前進-電子和氬原子相撞將氬離子化-氬離子向靶材加速前進直流電式電偶濺鍍用於沈積金屬靶材和高週波(射頻RF)產生器負極相連可濺鍍非導體材料(介電體)/導體量產機裝填

13、-閉鎖 (load-lock)裝置部分抽真空(真空度不高)的前端腔室(antechamber)，可將沈積用腔室維持在真空狀態優點產能較高 圖13.16 典型的濺鍍設備 磁電(magnetron)式濺鍍系統解決電偶式濺鍍的問題電子逃脫至腔室中，不參與建立沈積所需要的電漿場原理-靶板背後及周圍加上磁場補捉 (限制)電子在靶板的前方-靶材溫度低，常用於濺鍍鋁和鋁合金 圖13.17 磁電式濺鍍 使用CVD進行金屬化常用來沈積鎢 LPCVD優點-不需價格昂貴/需經常維護的超高度真空幫浦-階梯覆蓋性佳-產能高-進行溫度約300C(低溫使製程和鋁的金屬化相容) 六氟化鎢氣流和矽進行還原反應，進行沈積2WF6

14、+3Si2W+3SiF4六氟化鎢和氫行還原反應，沈積出鎢WF6+3H2W+6HF真空幫浦（vacuum pumps）1. 粗抽幫浦(roughing pumps)壓力範圍 10-3托耳 (中度真空) ,初步減壓型式 機械式真空幫浦2. 高真空幫浦壓力範圍 10-9托耳以下(高度/超高度真空)型式 油擴散幫浦、低溫幫浦、離子幫浦、渦輪分子式幫浦材料 不會由材料內洩出氣體 (out-gas) 進入系統 -304不銹鋼、不含氧的高傳導銅(OFHC)、kovar、鎳、鈦、 硼矽酸玻璃、陶瓷、鎢、金 -低蒸氣壓力的高分子彈性體 (elastomers) -抽腐蝕、毒性或反應之氣體時，幫浦內壁須抗腐蝕幫浦

15、的選用考量因素 所需的真空範圍 要抽的氣體 (氫這類較輕的氣體較難抽) 抽氣速度 整體的產能輸出 處理脈衝式負載(週期性的由內部材料中洩漏氣體)的能力 抽具腐蝕性氣體的能力 維修的需求性 停機的時間 成本機械式幫浦歸類:移置式幫浦(displacement pumps)迴轉含油真空幫浦(mechanical rotary oil vacuum pumps)取代含油式機械幫浦 油被封住式的幫浦 無油式幫浦 渦卷式幫浦(scroll pump) 魯式幫浦(roots pump，也稱為魯式鼓風機roots blowers)圖13.18 機械式旋轉油幫浦 油擴散幫浦(oil diffusion pum

16、p)使用方式-需含油式機械幫浦，將腔室內壓力抽至10-3托耳-需相同的一台幫浦或第二台機械式幫浦在排氣端壓力範圍10-8托耳高度真空問題-油分子滲回腔室-無法處理腔室中的水蒸氣解決冷式阻逆凝氣裝置(cold traps)內裝液態氮，將局部溫度降至-96C油、污染物及水蒸氣凝於內側壁圖13.19 油擴散幫浦 低溫幫浦(cryogenic pump，cryo pump)-利用絕熱膨脹(adiabatic expansion)進行冷卻-壓縮機將底部液態氦或氮抽上冷卻膨脹器(expander)-腔室內的氣體會被凍聚在葉片(Vane指鰭片)上使用特性 不需冷式阻逆凝氣裝置 不需機械式的粗抽幫浦 能抽走水蒸氣(渦輪幫浦不能) 捕捉/不需油，腔室被污染機率低 可吸收來自腔室本身噴出的氣體 抽氣快速，操作維護簡易歸類捕捉式幫浦(capture pumps)使用注意事項被帶到室溫下時(錯誤的原因或維修)小心葉片上的凍結氣體(如有毒性/易燃)蒸發 離子幫浦(ion pump)/濺式離子幫浦(sputter ion pump) /聚雜幫浦(gett