金属和硅接触的问题课件

1、金属化与平坦化1金属化与平坦化1概 述金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金属线连接起来构成具有各种功能的集成电路的工艺。是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程。2概 述金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金属线连接起互连金属3互连金属344在集成电路中金属薄膜主要用于1.欧姆接触（Ohmic Contact）2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact）3.低阻栅电极（Gate Electrode）4.器件间互联（interconnect）55金属化的几个术语接触（contact）：指硅芯片内的器件与第一层金属层之间

2、在硅表面的连接互连（interconnect）：由导电材料，(如铝，多晶硅或铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分通孔（via）：通过各种介质层从某一金属层到相邻的另一金属层形成电通路的开口“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。层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属（通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。6金属化的几个术语6对IC金属化系统的主要要求 (1) 低阻互连(2) 金属和半导体形成低阻欧姆接触(3) 与下面的

3、氧化层或其它介质层的粘附性好(4) 对台阶的覆盖好(5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象(6) 易刻蚀(7) 制备工艺简单High speedHigh reliabilityHigh density7对IC金属化系统的主要要求 (1) 低阻互连High speEarly structures were simple Al/Si contacts.早期结构是简单的AL/Si接触为了将半导体器件与外部有效地联系起来，必须首先在半导体和互连线之间制作接触。8Early structures were simple A金属层和硅衬底形成什么接触？9金属层和硅衬底形成什么接触？9 金属层和硅衬底的接触

4、，既可以形成整流接触，也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂浓度及金半接触的势垒高度 Heavily doped N+ SimetalOhmic ContactN- Si metalSchottkyContact金属/半导体的两种接触类型：欧姆接触：具有线性和对称的V-I特性，且接触电阻很小；肖特基接触：相当于理想的二极管；10 Heavily doped N+ SimetalOhmic1111形成欧姆接触的方式 高复合欧姆接触高掺杂欧姆接触 Al/N-Si势垒高度 0.7eV需高掺杂欧姆接触 半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质在半导体表面耗尽区中起复合中心作用低势垒欧姆接触 一般金属和

5、P型半导体 的接触势垒较低Al/p-Si势垒高度 0.4eV12形成欧姆接触的方式 Al/N-Si势垒高度 0.7eV半导常用的金属化材料1.Al是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。电阻率较低（ 20时具有2.65-cm ）；工艺简单；易形成低阻欧姆接触。13常用的金属化材料1.Al13铝互连14铝互连14金属和硅接触的问题- 硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下空洞 ,Al填充到空洞,引起短路1.尖峰现象spiking problems15金属和硅接触的问题- 硅不均解决spiking问题的方法 一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性另一种方法是利用扩散阻挡层(

6、Diffusion Barrier )常用扩散阻挡层：TiN, TiW较好的方法是采用阻挡层, Ti 或 TiSi2有好的接触和黏附性,TiN 可作为阻挡层16解决spiking问题的方法 一种方法是在Al中掺入1-2%2.铝的电迁移 当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移，这种现象称为金属电迁移 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空位的积聚而形成空洞，导致电路开路 172.铝的电迁移 当直流电流流过金属薄膜时，解决方法：采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.22，铜24）合金。铜原子在多

7、晶状Al的晶粒边界处分凝，阻止Al原子沿晶粒边界的运动。优化版图设计，降低电流密度。18解决方法：183. Al 与二氧化硅的反应4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间的短路失效。193. Al 与二氧化硅的反应4Al+3SiO22Al2O3合金化 合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金铝铝铜合金铜硅化物金属填充塞阻挡层金属20合金化 合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低阻欧姆接硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20C)21硅和硅片制造业中所选择的金

8、属 (at 20C)21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徒引起的可靠性问题。由于电迁徒，在金属表面金属原子堆起来形成小丘（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。当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会被显著的改善。Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的连线金属铝铜合金22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由于ULSI组件密度的增加，互连电阻和寄生电容也会随之增加，从而降低了信号的传播速度。减小互连电阻可通过用铜取代铝作为基本的导电金属而实现。对于亚微米的

9、线宽，需要低K值层间介质（ILD）。通过降低介电常数来减少寄生电容。23由于ULSI组件密度的增加，互连电阻和寄生电容也会随之增加，IC互连金属化引入铜的优点1.电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小可以减少信号的延迟，增加芯片速度。2.功耗的减少：减小了电阻，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.良好的抗电迁移性能：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 to 30 %的潜力。 24IC互连金属化引入铜的优点1.电阻率的减小：互连金属线的电对铜的挑战 与传统的铝互连比较，用铜作为半导体

10、互连主要涉及三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝技术，在铜应用与IC互连之前必须解决：1.铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有源区，将会损坏器件。 2.应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图形。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，而这对于经济的干法刻蚀是必不可少的。 3.低温下（200）空气中，铜很快被氧化，而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。 25对铜的挑战 与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互阻挡层金属铜 铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将破坏器件的性能。可淀积一层阻挡层金属，作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚度对0.25m工艺来说为

11、100nm；对0.35m工艺来说为400600nm。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。26阻挡层金属铜 铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽（Ta） 、氮化钽和钽化硅都是阻挡层金属的待选材料，阻挡层厚度必须很薄（约75埃），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27钽作为铜的阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽（Ta） 、氮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.抗电迁移5

12、.在很薄的并且高温下具有很好的稳定性；6.抗侵蚀和氧化。 28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；2Silicide Polycide Salicide这三个名词对应的应用应该是一样的，都是利用硅化物来降低连接电阻。但生成的工艺是不一样的29Silicide Polycide Salicide这三个名硅化物 Silicide Silicide就是金属硅化物，是由金属和硅经过物理化学反应形成的一种化合态，其导电特性介于金属和硅之间 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。在硅片制造业中，难熔金属硅化物是非常重要的，因为为了提高芯片性能，

13、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。30硅化物 Silicide SiliPolycide和Salicide则是分别指对着不同的形成Silicide的工艺流程，下面对这两个流程的区别简述如下：31Polycide和Salicide则是分别指对着不同的形成S多晶硅上的多晶硅化物 Polycide钛多晶硅化物钛硅化物多晶硅栅掺杂硅 如果难熔金属和多晶硅反应。那么它被称为多晶硅化物。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500-cm），正是这导致了不应有的信号延迟。多晶硅化物对减小连接多晶硅的串联电阻是有益的32多晶硅上的多晶硅化物 P

14、olycide钛多晶硅化物钛硅化物多Polycide ：其一般制造过程是，栅氧化层完成以后，继续在其上面生长多晶硅(POLY-SI），然后在POLY上继续生长金属硅化物（silicide），其一般为 WSi2 （硅化钨）和 TiSi2 （硅化钛）薄膜，然后再进行栅极刻蚀和有源区注入等其他工序，完成整个芯片制造。33Polycide ：其一般制造过程是，栅氧化层完成以后，继续自对准硅化物 salicide由于在优化超大规模集成电路的性能方面，需要进一步按比列缩小器件的尺寸，因此在源/漏和第一金属层之间电接触的面积是很小的。这个小的接触面积将导致接触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源/漏区接

15、触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。它能很好地与露出的源、漏以及多晶硅栅的硅对准。许多芯片的性能问题取决于自对准硅化物的形成（见下图）。自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。34自对准硅化物 salicide由于在优化超大规模集成电路的性Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及源漏注入以后，以溅射的方式在POLY上淀积一层金属层（一般为 Ti,Co或Ni），然后进行第一次快速升温退火处理（RTA），使多晶硅表面和淀积的金属发生反应，形成金属硅化物。根据退火温度设定，使得其他绝缘层（ Nitride 或 Oxide）上的淀积金属不能跟绝缘层反应产生不希望的硅化物，因此是一种自对准

16、的过程(does not require lithographic patterning processes)。然后再用一种选择性强的湿法刻蚀（NH4OH/H2O2/H20或H2SO4/H2O2的混合液）清除不需要的金属淀积层，留下栅极及其他需要做硅化物的salicide。35Salicide: 它的生成比较复杂，先是完成栅刻蚀及源漏注2. 钛淀积Silicon substrate1. 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4. 去除钛TiSi2 形成Self-aligned silicide (“salicide”) process自对准硅化物工艺 Salic

17、ide362. 钛淀积Silicon substrate1. 有源The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin metal film with silicon in

18、 the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes. The term salicide is a compaction of the phrase self-aligned silicide. The description self-aligned suggests that the contact formation does not require lithographic pa

19、tterning processes, as opposed to a non-aligned technology such as polycide. The term salicide is also used to refer to the metal silicide formed by the contact formation process, such as titanium salicide, although this usage is inconsistent with accepted naming conventions in chemistry.37The term

20、salicide refers to a polycide:降低栅极电阻salicide：既能降低栅极电阻，又能降低源漏电阻 38 polycide:降低栅极电阻salicide：既能 什么叫做polycide和Salicide结构及工艺？他们的优点是什么？如何实现？39 什么叫做polycide和Salicide结构及工艺？他们答：Polycide一般是由silicide和poly si组成的多晶硅化物。优点在于：低的电阻，热稳定性好，好的化学稳定性，能与硅形成均匀一致的界面。实现：1.多晶硅的沉积和掺杂，PVD或者CVD沉积。2.金属硅化物沉积，PVD或者CVD沉积。3.热退火。4.栅掩模

21、光刻5.RIE刻蚀6. S/D离子注入40答：Polycide一般是由silicide和poly siSalicide（Self Aligned Silicide）是自对准硅化物的简称。优点在于：1.自对准。2.s/d区寄生电阻大大减少3.栅层互联电阻减少，很好的界面，适合应用于短沟道器件。实现过程：1.自对准多晶硅生成，。2.绝缘介质沉积，RIE刻蚀形成侧墙。 3.S/D区形成4.磁控溅镀一层金属在整个晶片的表面5.低温快速热退火，使淀积的金属膜与源漏极的硅和栅极的多晶硅反应，而形成金属硅化物6. 未参加反应的金属用湿法刻蚀加以去除。7.高温快速热退火，形成高电导的金属硅化区。41Salic

22、ide（Self Aligned Silicide金属填充塞多层金属化产生了对数以十亿计的通孔用金属填充塞填充的需要，以便在两层金属之间形成电通路。接触填充薄膜也被用于连接硅片中硅器件和第一层金属化。目前被用于填充的最普通的金属是钨，因此填充薄膜常常被称为钨填充薄膜(见下图)。钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力，因此被选作传统的填充材料。铝虽然电阻率比钨低，但溅射的铝不能填充具有高深宽比的通孔，基于这个原因，铝被用作互连材料，钨被限于做填充材料。42金属填充塞多层金属化产生了对数以十亿计的通孔用金属填充塞填充多层金属的钨填充塞早期金属化技术1. 厚氧化层淀积2. 氧化层平坦化3. 穿过氧化层刻蚀

23、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43多层金属的钨填充塞早期金属化技术1. 厚氧化层淀积1. IC 中的金属塞SiO244IC 中的金属塞SiO244阻挡层金属阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，采用阻挡层可以消除诸如AlSi互溶和尖刺（如图所示）等问题45阻挡层金属阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，采用阻挡层可以消通常用做阻挡层的金属是一类具有高熔点的金属，如钛Ti、钨W、钽Ta、钼MO、钴Co、铂Pt等钛钨（TiW）和氮化钛（TiN）是两种常用的阻挡

24、层材料TiN引起在Al合金互连处理过程中的优良阻挡特性，被广泛应用于超大规模集成电路的制造中。TiN的缺点是TiN和硅之间的接触电阻较大，为解决这个问题，在TiN淀积之前，通常先淀积一薄层钛（典型厚度为几十纳米或更少）。这层钛能和Si形成硅化物，从而降低接触电阻。46通常用做阻挡层的金属是一类具有高熔点的金属，如钛Ti、钨W、具有 Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨 CVDTi2 准直钛淀积覆 盖通孔底部间隙填充介质铝通孔PECVD SiO21. 层间介质通孔刻蚀CVD TiN 等角淀积TiN4. CVD 钨淀积钨通孔薄膜5. 钨平坦化钨填充薄膜钛充当了将钨限制在通孔中的粘合剂；氮化钛充当钨的扩

25、散阻挡层47具有 Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨 CVDTi2 准直超大规模集成电路中Cu的互连集成技术 48超大规模集成电路中Cu的互连集成技术 48铜连线的电阻R比铝连线小。铜的电阻率为1.7/cm，铝的电阻率为3.1/cm 铜连线的寄生电容比铝连线小 铜比铝有更低耐电迁移性能，能承受更高的温度铜连线IC制造成本低 铜连线的双镶嵌(dual damascene ) IC工艺，比铝连线IC工艺减少了约20一30的工序，特别是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序 Why Cu needed49铜连线的电阻R比铝连线小。铜的电阻率为1.7/cm，铝的铜互连所面临的问题铜的污染问题Cu是半导体的深能

26、级杂质，对半导体中的载流子具有强的陷阱效应Cu在SiO2介质中的扩散很快，从而使SiO2的介电性能严重退化Cu引线的图形加工问题Cu在空气和低温下（200）易氧化，不能形成保护层来阻止自身的进一步被氧化和腐蚀50铜互连所面临的问题铜的污染问题50解决方案阻挡Cu扩散的扩散阻挡层成功解决了Cu的污染问题大马士革结构与CMP技术相结合成功解决了Cu引线图形的加工问题51解决方案阻挡Cu扩散的扩散阻挡层大马士革结构与CMP技术51Cu的大马士革结构 单镶嵌 (Single damascene)工艺 双镶嵌 (Dual damascene)工艺SD工艺的互连沟槽和接线柱的制造要经过各自的介质刻蚀、金属

27、淀积和CMP工艺过程，其互连和接线柱的材料可以是不同的金属DD工艺中，先在绝缘介质中刻蚀出互连和接线柱，然后一步完成金属的淀积和CMP过程，接线柱和上层金属是同一种材料52Cu的大马士革结构 单镶嵌 (Single damascenCu金属淀积技术Cu薄膜的淀积方法有多种，包括：物理气相淀积(PVD)化学气相淀积(CVD)电镀(electroplating)化学镀(electrolessplating)等 电镀是目前普遍使用的方法，它具有优秀的间隙填充能力，高的淀积速度，低的淀积温度，系统简单积淀积过程易于控制等特点，但电镀需要籽晶层，目前籽晶层由PVD或CVD制备。53Cu金属淀积技术Cu薄

28、膜的淀积方法有多种，包括：53电镀是完成铜互连线的主要工艺。集成电路铜电镀工艺通常采用硫酸盐体系的电镀液当电源加在铜（阳极）和硅片（阴极）之间时，溶液中产生电流并形成电场。阳极的铜发生反应转化成铜离子和电子，同时阴极也发生反应，阴极附近的铜离子与电子结合形成镀在硅片表面的铜，铜离子在外加电场的作用，由阳极向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度损耗。电镀的主要目的是在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。54电镀是完成铜互连线的主要工艺。集成电路铜电镀工艺通常采用硫酸5555双大马士革工艺铜不适合用干法刻蚀，为了形成铜互连金属线，应用双大马士革方法以避免铜的刻蚀。在大马士革过程

29、中，不需要金属刻蚀确定线宽和间隔，而需介质刻蚀通过在层间介质刻蚀孔和槽，既为每一金属层产生通孔又产生引线，然后淀积铜进入刻蚀好的图形，再用CMP去掉额外的铜56双大马士革工艺铜不适合用干法刻蚀，为了形成铜互连金属线，应用双大马士革工艺57双大马士革工艺57铜镶嵌布线ILDILDM1CuSiNCu通孔和金属层的铜填充同时进行，节省了工艺步骤并消除了通孔和金属线之间的界面58铜镶嵌布线ILDILDM1CuSiNCu通孔和金属层的铜填充传统和大马士革金属化比较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

30、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CMP通孔和金属层的铜填充同时进行，节省了工艺步骤并消除了通孔和金属线之间的界面59传统和大马士革金属化比较传统互连流程氧化硅通孔2刻蚀 钨淀积平坦化为什么要实现芯片的平坦化？为了能够在有限的圆晶片表面上有足够的金属内连线，以配合日趋精密且复杂的集成电路的发展需求，在晶片上制作两层以上的金属层，早已成为半导体工艺发展的一种趋势(尤其是在VLSI逻辑产品上更显得重要)。为了使两层金属线之间有良好的隔离效果，在制作第二层金属层之前，必须先把用来隔离这两层导线的介电层做好才行。但是，因为这层以CVD法所沉积的介电层会受到第一层金

31、属层的轮廓的影响，因此必须加以平坦化，以利于第二层金属的光刻。平坦化以后，就可以沉积第二层金属了。60平坦化为什么要实现芯片的平坦化？60用於晶圓平坦化的術語 表 18.1 61用於晶圓平坦化的術語 表 18.161平坦化之定性定義 e)全面平坦化 a)未平坦化 b)平滑化 c)部分平坦化 d)局部平坦化圖 18.2 62平坦化之定性定義 e)全面平坦化 a)未平坦化 b)平滑化 平坦化技术局部平坦化的特点是在一定范围的硅片表面上实现平坦化，主要技术为旋涂玻璃（SOG）法。SOG是一种相当于SiO2的液相绝缘材料，通过类似涂胶的工艺，将其有效地填满凹槽以实现局部平坦化。全局平坦化则主要通过化学

32、机械抛光法（CMP）来实现，其特点是整个硅片表面上介质层是平整的。 63平坦化技术局部平坦化的特点是在一定范围的硅片表面上实现平坦化1 旋涂玻璃法旋涂玻璃法(SOG: Spin- On- Glass）SOG基本原理：把一种溶于溶剂内的介电材料以旋涂的方式涂在晶片上。介电材料可以随着溶剂在晶片表面流动，填入凹槽内。SOG的优点：液态溶液覆盖，填充能力好。SOG的缺点： (1) 易造成微粒，主要来自SOG残留物，可以通过工艺和设备改善来减少。 (2) 有龟裂及剥离的现象，通过对SOG材料本身与工艺的改进来避免 (3) 有残余溶剂“释放”的问题641 旋涂玻璃法64SOG的制造过程可以分为涂布与固化

33、两个阶段涂布是将SOG以旋涂的方式覆盖在晶片的表面固化以热处理的方法,在高温下把SOG内剩余的溶剂赶出,使SOG的密度增加,并固化为近似于SiO2的结构SOG在实际应用上,主要是采用所谓的三明治结构:以SOG为主的平坦化内连线的介电层,事实上是由两层以CVD法沉积的SiO2和SOG法所覆盖的SiO2等三层介电层所构成的 ,SOG被两层CVD-SiO2所包夹制作这种介电层主要有“有回蚀”及“无回蚀”两种方法65SOG的制造过程可以分为涂布与固化两个阶段65下图是实际应用采用的结构，这一技术可以进行制程线宽到0.5的沟填（Gap Fill）与平坦化。列有两种主要的SOG的平坦化流程。 制程启始于晶片已完成第一层金属层的蚀刻； 以PECVD法沉积第一层SiO2 进行SOG的涂布与固化。 66下图是实际应用采用的结构，这一技术可以进行制程线宽到0.5紧接着，SOG的制程将分为有/无回蚀两种方式 在有回蚀的SOG制程中，上完SOG的晶片，将进行电浆干蚀刻，以去除部分的SOG 然后再沉积