第十章 金属化及平坦化

第十章

金属化与平坦化1概述金属化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。金属线被夹在两个绝缘介质层中间形成电整体随着电子工业的迅速发展，工艺技术快速进步，已达到极大规模集成电路（ULSI）阶段。而金属化（Metallization）成为一个极为重要的关键步骤2互连金属34在微电子工业硅晶集成电路中金属薄膜主要用于1.欧姆接触（OhmicContact）2.肖特基接触（SchottkyBarrierContact）3.低阻栅电极（GateElectrode）4.器件间互联（interconnect）5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接触(3)与下面的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6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）是绝缘材料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被光刻成图形、刻蚀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。7接触EarlystructuresweresimpleAl/Sicontacts.早期结构是简单的AL/Si接触8金属层和硅衬底形成什么接触？9

金属层和硅衬底的接触，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

HeavilydopedN+SimetalOhmicContactN-Si

metalSchottkyContact1010.1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P型半导体

的接触势垒较低Al/p-Si势垒高度0.4eV111210.2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13硅和硅片制造业中所选择的金属(at20°C)14金属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普通的互连金属。铝在20℃时具有2.65µΩ-cm的低电阻率，另一方面，铝能够很容易和二氧化硅反应，加热形成氧化铝（AL2O3），这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，铝仍然作为首先的金属应用于金属化。铜、金及银的电阻率比铝稍低，可以减少信号的延迟，提高芯片的工作速度。然而铜和银都比较容易腐蚀，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。在21世纪制造高性能IC工艺中，铜互连金属有望取代铝。15铝互连16欧姆接触为了在金属和硅之间形成欧姆接触，可通过加热完成。（通常在惰性气体或还原的氢气环境中，在400～500℃进行，此过程也被称为低温退火或烧结）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（见下图）。17欧姆接触结构Gate阻挡层金属欧姆接触铝、钨、铜等SourceDrainOxide在300oC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Al-Si界面形成一层很薄的Al-Si合金。Al通过Al-Si合金和接触孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触Al-Si系统一般合金温度为450o－50018金属和硅接触的问题---

尖峰现象"spiking"problems硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下空洞,Al填充到孔洞,引起短路19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(DiffusionBarrier)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20电迁移(electromigration)现象电流携带的电子把动量转移给导电的金属原子，使其移动，金属形成空洞和小丘小丘短接的两条金属线金属线中的空洞21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。23IC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：减小了线的宽度，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. 良好的抗电迁徒性能：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。

24对铜的挑战

与传统的铝互连比较，用铜作为半导体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用于铜互连结构的阻挡层：提高欧姆接触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26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. 抗电迁徒；5. 在很薄的并且高温下具有很好的稳定性；6. 抗侵蚀和氧化。

27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

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。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。28硅化物Silicide

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。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，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。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信号延迟。多晶硅化物对减小连接多晶硅的串联导致是有益的，同时也保持了多晶硅对氧化硅好的界面特性。29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Figure12.10

30SilicidePolycideSalicide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POLY上的连接电阻。但生成的工艺是不一样的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Polycide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：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。32Salicide:

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，因此是一种自对准的过程(doesnotrequirelithographicpatterningprocesses)。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。33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。34352.钛淀积Siliconsubstrate1.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-alignedsilicide(“salicide”)process自对准硅化物工艺Salicide36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。钨可抗电迁徒引起的失效，因此也被用作阻挡层以禁止硅和第一层之间的扩散及反应。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。37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38IC中的金属塞SiO239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40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。41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PECVDSiO21.层间介质通孔刻蚀CVDTiN

等角淀积TiN4.CVD钨淀积钨通孔薄膜5.钨平坦化钨填充薄膜Figure12.23

钛充当了将钨限制在通孔中的粘合剂；氮化钛充当钨的扩散阻挡层42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43双大马士革法的铜金属化1:SiO2

淀积说明：

用PECVD淀积氧化硅到希望的厚度，这里没有关键的间隙填充，因此PECVD是可以接受的。SiO2Table12.5.1

442：Si3N4

刻蚀阻挡层淀积

说明：

厚250Å的Si3N4

刻蚀阻挡层被淀积在内层氧化硅上。SiN需要致密，没有针孔，因此使用HDPCVD。Si3N4Table12.5.2

453：确定通孔图形和阻挡层说明：

光刻确定图形、干法刻蚀通孔窗口进入SiN.中，刻蚀完成后去掉光刻胶。SiNTable12.5.3

464：淀积保留介质的SiO2

说明：

为保留层间介质，PECVD氧化硅淀积。SiO2Table12.5.4

475：确定互连图形

说明：

光刻确定氧化硅槽图形，带胶。在确定图形之前将通孔窗口放在槽里。PhotoresistTable12.5.5

486：刻蚀互连槽和通孔

说明：

在层间介质氧化硅中干法刻蚀沟道，停止在SiN层。穿过SiN.层中的开口继续刻蚀形成通孔窗口。Table12.5.6

497：淀积阻挡金属层

说明：

在槽和通孔的底部及侧壁用离子化的PVD淀积钽(TaN）和氮化钽扩散层。阻挡层金属Table12.5.7

508：淀积铜种子层

说明：

用CVD.淀积连续的铜种子层，种子层必须是均匀的并且没有针孔。铜种子层Table12.5.8

519：淀积铜填充

说明：

用电化学淀积(ECD).淀积铜填充，即填充通孔窗口也填充槽。铜层Table12.5.9

5210：用CMP清除额外的铜

说明：

用CMP清除额外的铜，这一过程平坦化了表面并为下道工序做了准备。最后的表面是一个金属镶嵌在介质内，形成电路的平面结构。Copper53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5410.3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。55用于晶圆平坦化的术语

56e)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57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。

5810.3.1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59SOG的制造过程可以分为涂布与固化两个阶段涂布是将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60图（a）刚沉积在有高低起伏的晶片表面的介电层截面（b）经部分平坦化后的介电层外观；（c）具备局部平坦度的介电层（d）具备全面性平坦度的介电层

61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0.5μ的沟填（GapFill）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。

62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

然后再沉积第二层PECVDSiO2，而完成整个制作流程

至于“无加蚀”的SOG制程，则在晶片上完SOG之后，直接进行第二层PECVDSiO2的沉积。

6310.3.2化学机械抛光法化学机械抛光(研磨)法（CMP-Chemical-MechanicalPolishing），这是唯一一种能提供VLSI全面平坦化的技术，由IBM