第十章 金屬化與平坦化

1、1 2 3 4 5 6 7 8 接觸接觸 Early structures were simple Al/Si contacts. 早期結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單的早期結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單的AL/SiAL/Si接觸接觸 9 金屬層和硅襯底形成什么接觸？金屬層和硅襯底形成什么接觸？ 10 金屬層和硅襯底的接觸，既可以形成金屬層和硅襯底的接觸，既可以形成整流接觸，整流接觸， 也可以形成也可以形成歐姆接觸，歐姆接觸，主要取決于半導(dǎo)體的摻雜主要取決于半導(dǎo)體的摻雜 濃度及金半接觸的勢(shì)壘高度濃度及金半接觸的勢(shì)壘高度 Heavily doped N+ Si metal Ohmic Contact N- Si metal Schott

2、ky Contact 11 Al/N-Si勢(shì)壘高度勢(shì)壘高度 0.7eV 需高摻雜歐姆接觸需高摻雜歐姆接觸 半導(dǎo)體表面的半導(dǎo)體表面的晶體缺陷晶體缺陷和高復(fù)合中心和高復(fù)合中心雜質(zhì)雜質(zhì) 在半導(dǎo)體表面耗盡區(qū)中在半導(dǎo)體表面耗盡區(qū)中起復(fù)合中心作用起復(fù)合中心作用 q低勢(shì)壘歐姆接觸低勢(shì)壘歐姆接觸 一般一般金屬和金屬和P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 的接觸勢(shì)壘較低的接觸勢(shì)壘較低 Al/p-SiAl/p-Si勢(shì)壘高度勢(shì)壘高度 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 鋁互連鋁互連 17 18 Gate 阻擋層金屬 歐姆接觸 鋁、鎢、銅等 SourceDrain Oxide 在在300300o oC C以上，硅就以一定比例熔于鋁中，在此溫以上，硅就以一定比例熔于鋁中，在此溫 度，恒溫足夠時(shí)間，就可在度，恒溫足夠時(shí)間，就可在Al-SiAl-Si界面形成一層很界面形成一層很 薄的薄的Al-SiAl-Si合金。合金。AlAl通過(guò)通過(guò)Al-SiAl-Si合金和接觸孔下的合金和接觸孔下的 重?fù)诫s半導(dǎo)體接

4、觸，形成歐姆接觸重?fù)诫s半導(dǎo)體接觸，形成歐姆接觸 Al-SiAl-Si系統(tǒng)一般合金溫度為系統(tǒng)一般合金溫度為450450o o500 500 19 金屬和硅接觸的問(wèn)題金屬和硅接觸的問(wèn)題- - 尖峰現(xiàn)象尖峰現(xiàn)象spiking problemsspiking problems 硅不均勻溶解到硅不均勻溶解到Al中，并向中，并向Al中擴(kuò)散，硅片中留下中擴(kuò)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 小丘短接的兩條金屬線 金屬線中的空洞 22 鋁銅合金鋁銅合金 23 24 25 26 阻擋層金屬阻擋層金屬 銅銅 27 28 銅銅 鉭鉭 銅銅在硅和二氧化硅中都在硅和二氧化

5、硅中都有很高的擴(kuò)散率有很高的擴(kuò)散率，這種高擴(kuò)，這種高擴(kuò) 散率將破壞器件的性能。散率將破壞器件的性能。傳統(tǒng)的阻擋層金屬對(duì)銅來(lái)說(shuō)阻擋傳統(tǒng)的阻擋層金屬對(duì)銅來(lái)說(shuō)阻擋 作用不夠，銅需要作用不夠，銅需要由一層薄膜阻擋層完全封閉起來(lái)，這層由一層薄膜阻擋層完全封閉起來(lái)，這層 封閉薄膜的作用是封閉薄膜的作用是加固附著加固附著并有效地并有效地阻止擴(kuò)散。阻止擴(kuò)散。 29 30 鈦多晶硅化物 鈦硅化物 多晶硅柵 摻雜硅 Figure 12.10 31 32 33 34 35 36 2. 鈦淀積 Silicon substrate 1. 有源硅區(qū) 場(chǎng)氧化層 側(cè)墻氧化層 多晶硅 有源硅區(qū) 3. 快速熱退火處理 鈦硅反應(yīng)區(qū)

6、 4. 去除鈦 TiSi2 形成 Self-aligned silicide (“salicide”) process 自對(duì)準(zhǔn)硅化物工藝自對(duì)準(zhǔn)硅化物工藝 SalicideSalicide 37 38 早期金屬化技術(shù) 1. 厚氧化層淀積 2. 氧化層平坦化 3. 穿過(guò)氧化層刻蝕接觸孔 4. 阻擋層金屬淀積 5. 鎢淀積 6. 鎢平坦化 1. 穿過(guò)氧化層刻蝕接觸孔 2. 鋁淀積 3. 鋁刻蝕 在接觸孔 (通孔) 中的鎢塞 氧化硅 (介質(zhì)) 鋁接觸孔 氧化硅 (介質(zhì)) 現(xiàn)代金屬化技術(shù) 39 SiO2 40 41 42 Ti 2 準(zhǔn)直鈦淀積覆 蓋通孔底部 間隙填充介質(zhì) 鋁 通孔 PECVD SiO2

7、1. 層間介質(zhì)通孔刻蝕 3.CVD TiN 等角淀積 TiN 4. CVD 鎢淀積 鎢通孔 薄膜 5. 鎢平坦化 鎢填充 薄膜 Figure 12.23 鈦鈦充當(dāng)了將鎢充當(dāng)了將鎢 限制在通孔中限制在通孔中 的的粘合劑粘合劑；氮氮 化鈦化鈦充當(dāng)鎢的充當(dāng)鎢的 擴(kuò)散阻擋層擴(kuò)散阻擋層 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 阻擋層金屬 Table 12.5.7 51 銅種子層

8、Table 12.5.8 52 銅層 Table 12.5.9 53 Copper 54 ILD ILD M1 Cu SiN Cu 通孔通孔和和金屬層金屬層的銅填充的銅填充同時(shí)進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省了工節(jié)省了工 藝步驟藝步驟并并消除了消除了通孔和金屬線之間的通孔和金屬線之間的界面界面 55 56 平坦化形式 描述 平滑化 階梯高度的轉(zhuǎn)角為圓滑的且側(cè)壁是傾斜式的，但 其高度則未能明顯降低。 部分平坦化 平滑化加上局部的階梯高度降低。 局部平坦化 在較小間隙(1 到 10m) 或在晶粒間局部區(qū)域的 完全填充，跨于晶圓上相對(duì)與平面的整體階梯高 度并未明顯降低。 全面平坦化 完成局部平坦化加上跨于全晶圓的

9、整體階梯高度 也有明顯的降低，此又稱為均一性。 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點(diǎn)是在的特點(diǎn)是在一定范圍一定范圍的硅片的硅片 表面上表面上實(shí)現(xiàn)平坦化實(shí)現(xiàn)平坦化，主要技術(shù)為主要技術(shù)為旋涂玻旋涂玻 璃（璃（SOGSOG）法。法。SOGSOG是一種相當(dāng)于是一種相當(dāng)于SiO2SiO2的的 液相絕緣材料，通過(guò)類似涂膠的工藝，液相絕緣材料，通過(guò)類似涂膠的工藝， 將其有效地填滿凹槽以實(shí)現(xiàn)將其有效地填滿凹槽以實(shí)現(xiàn)局部平坦化局部平坦化。 n全局平坦化全局平坦化則主要通過(guò)

10、則主要通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光法化學(xué)機(jī)械拋光法 （CMPCMP）來(lái)實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是來(lái)實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是整個(gè)硅片表面整個(gè)硅片表面 上介質(zhì)層是平整的。上介質(zhì)層是平整的。 59 60 圖（圖（a a）剛沉積在有高低起伏的晶片表面剛沉積在有高低起伏的晶片表面 的介電層截面的介電層截面 （b b）經(jīng)部分平坦化后的介電層外觀；經(jīng)部分平坦化后的介電層外觀； （c c）具備局部平坦度的介電層具備局部平坦度的介電層 （d d）具備全面性平坦度的介電層具備全面性平坦度的介電層 制程啟始于晶片制程啟始于晶片 已完成第一層金已完成第一層金 屬層的蝕刻；屬層的蝕刻； 以以PECVDPECVD法沉法沉 積第一層積第一層SiOSiO2

11、2 進(jìn)行進(jìn)行SOGSOG的涂的涂 布與固化。布與固化。 在有回蝕的在有回蝕的SOGSOG制程中，上完制程中，上完 SOGSOG的晶片，將進(jìn)行電漿干蝕的晶片，將進(jìn)行電漿干蝕 刻，以去除部分的刻，以去除部分的SOG SOG 然后再沉積第二層然后再沉積第二層 PECVD SiOPECVD SiO2 2，而完成而完成 整個(gè)制作流程整個(gè)制作流程 至于至于“無(wú)加蝕無(wú)加蝕”的的SOGSOG制程，則在制程，則在 晶片上完晶片上完SOGSOG之后，直接進(jìn)行第二之后，直接進(jìn)行第二 層層PECVD SiOPECVD SiO2 2的沉積的沉積。 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 磨料噴嘴 旋轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn) 盤 拋光墊 磨頭 連桿 磨頭 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