半導體第十三講金屬化與平坦化

集成電路的各個組件制作完成后，需要按照設計要求將這些組件進行相應的連接以形成一個完整的電路系統(tǒng)，并提供與外電路相連接的接點，完成此項任務的就是金屬布線。金屬化就是在組件制作完成的器件表面淀積金屬薄膜，金屬線在IC中傳導信號，介質(zhì)層則保證信號不受臨近金屬線的影響。平坦化就是將wafer表面起伏不平的介電層加以平坦的工藝。經(jīng)過平坦化處理的介電層，沒有高低落差，在制作金屬線時很容易進行，而且光刻出的連線圖形比較精確。1當前1頁，總共59頁。歐姆接觸加工成型的金屬互連線與半導體之間由于功函數(shù)的差異會形成一個勢壘區(qū)。若只是簡單的將金屬和半導體連接在一起，接觸區(qū)就會出現(xiàn)整流效應，這種附加的單向?qū)щ娦?，使得晶體管或集成電路不能正常工作。要使接觸區(qū)不存在整流效應，就是要形成歐姆接觸，良好的歐姆接觸應滿足以下的條件：電壓與電流之間具有線性的對稱關系；接觸電阻盡可能低，不產(chǎn)生明顯的附加阻抗；有一定的機械強度，能承受沖擊、震動等外力的作用。2當前2頁，總共59頁。1.歐姆接觸的形成條件金屬鋁與輕摻雜濃度（）的N型硅接觸時，形成整流接觸；當提高N型硅的摻雜濃度（）后，接觸區(qū)的整流特性嚴重退化，電壓-電流的正反向特性趨于一致，即由整流接觸轉(zhuǎn)化為歐姆接觸。勢壘越窄，遂穿效應越明顯，而勢壘的寬度取決于半導體的摻雜濃度，摻雜濃度越高，勢壘越窄。因此，只要控制好半導體的摻雜濃度，就可以得到良好的歐姆接觸。3當前3頁，總共59頁。4當前4頁，總共59頁。2.歐姆接觸的制備需要制備歐姆接觸的地方并非都是重摻雜區(qū)，因次，必須對要制作接觸區(qū)的半導體進行重摻雜，以實現(xiàn)歐姆接觸。常用的方法有擴散法和合金法。合金法又叫燒結(jié)法，這種方法不僅可以形成歐姆接觸，而且也可制備PN結(jié)。合金時，將金屬放在wafer上，裝進模具，壓緊后，在真空中加熱到熔點以上，合金溶解與wafer凝固而結(jié)合在一起，形成歐姆接觸，合金完成。整個過程分為升溫、恒溫、降溫三個階段。5當前5頁，總共59頁。溫度是合金質(zhì)量好壞的關鍵。合金的方法很多，可在擴散爐或燒結(jié)爐中通惰性氣體或抽真空；也可在真空中進行。6當前6頁，總共59頁。金屬布線金屬層包括互連、接觸以及栓塞等?；ミB是由鋁、多晶硅或銅等材料制成使不同器件之間的電信號可相互傳輸?shù)慕饘龠B線；接觸是芯片內(nèi)的器件與第一層金屬在wafer表面的連接；通孔是穿過介質(zhì)層在某兩層金屬層之間形成導電通路的開口；栓塞是通孔中填入的使金屬層間電氣導通的部分。隨著IC尺寸的減小，對金屬布線的要求也越來越高：電阻率要低、穩(wěn)定性要高；可被精細的刻蝕，具有抗環(huán)境侵蝕的能力；易于淀積成膜，粘附性要好，臺階覆蓋能力強；互連線應具有很強的抗電遷移能力，可焊性好。7當前7頁，總共59頁。1.多層金屬布線（1）多層金屬布線結(jié)構(gòu)為了提高電路速度、集成度、縮短互連線，大規(guī)模集成電路的金屬層都是多層金屬布線層。為了防止金屬層之間的短路，在層間淀積了介電層起到隔離作用。8當前8頁，總共59頁。（2）多層電極在一般的IC制造中通常采用鋁作為電極，但對于高頻大功率器件、微波器件等會由于采用鋁電極而導致器件失效。要找到一種能完全代替鋁的金屬材料非常困難，金的導電性很好但與二氧化硅之間的粘附性卻很差，而且在高溫下會與硅形成金-硅合金；鉬、鉑等金屬雖然熔點很高，但又難以鍵合。因而只有采用多層金屬電極。利用幾種金屬各自的優(yōu)點，取長補短，制作出符合要求的電極。9當前9頁，總共59頁。多層金屬電極大致可分為兩類：用于微波晶體管、超高頻低噪聲管等器件的鋁基系統(tǒng)和用于高頻大功率管的金基系統(tǒng)。按器件經(jīng)受的環(huán)境和使用的條件不同，采用不同的多層金屬結(jié)構(gòu)。但按照作用，大體可分為四層（由硅片表面向外依次為）：歐姆接觸層、粘附層、阻擋層以及導電層。歐姆接觸層的作用是與半導體層形成良好的歐姆接觸，性能穩(wěn)定，不與硅或電路中相鄰的其它材料形成高阻化合物，厚度約幾十納米，目前最常用的是硅化鈦。10當前10頁，總共59頁。粘附層起到將接觸層與二氧化硅和上面的金屬層粘和起來的作用，以便在二氧化硅上形成可靠的引線鍵合點。生產(chǎn)上經(jīng)常將粘附層與接觸層或阻擋層結(jié)合在一起。阻擋層一方面是為了防止導電層材料滲透至器件表面與硅形成合金，另一方面又要阻擋導電層與下層金屬形成高阻化合物。因而，作為阻擋層的金屬與硅的合金溫度要足夠高，而且不會與相鄰的金屬形成高阻化合物。常用的是高熔點金屬鎢、鉬、鎳等。11當前11頁，總共59頁。導電層的電阻率要低，穩(wěn)定性好，還要利于壓焊引線，常用的是鋁、銅等材料。12當前12頁，總共59頁。2.器件互連（1）對用于器件互連的金屬材料有以下一些要求：電導率：為了保證器件電性能的完整性，金屬材料必須具有高的電導率，能夠傳導高的電流密度；粘附性：材料須與下層襯底之間有良好的粘附性，容易與外電路實現(xiàn)電連接。與半導體及器件中的其它金屬之間連接時接觸電阻低；淀積：易于淀積，且經(jīng)過低溫處理后具有均勻的結(jié)構(gòu)；13當前13頁，總共59頁。圖形：在金屬層反刻時，與下層介質(zhì)間的刻蝕分辨率高，易于平坦化；可靠性：為了在處理和應用過程中經(jīng)受得住溫度的循環(huán)變化，金屬應相對柔軟且具有較好的延展性；抗腐蝕性：抗腐蝕性要好，在層與層之間以及與下層器件區(qū)之間具有最小的化學反應；應力：抗機械應力性好，以便減少wafer的扭曲和斷裂、空洞以及應力等造成的材料失效。14當前14頁，總共59頁。（2）互連金屬最早用于集成電路制造的金屬就是鋁，它也是最普遍的互連金屬，以薄膜的形式在wafer中連接不同的器件。室溫下，鋁的電阻率比銅、金、銀的電阻率稍高，但是由于銅和銀比較容易腐蝕，在硅和二氧化硅中的擴散率太高，這些都不利于它們用于集成電路的制造；另外，金和銀的成本比鋁高，而且與二氧化硅的粘附性不好，所以，也不常用。鋁則能很容易的淀積在wafer上，而且刻蝕時分辨率較高，所以，作為首選金屬用于金屬化。15當前15頁，總共59頁。對于多層電極系統(tǒng)，由于銅具有更低的電阻率，已在逐步取代鋁成為主要的互連金屬材料。16當前16頁，總共59頁。當電流密度較大時，電子與鋁原子碰撞，使得鋁原子發(fā)生電遷移，原子移動導致原子在負極的損耗，發(fā)生損耗的地方會出現(xiàn)空洞，金屬連線變薄，極易引起斷路，器件可靠性較低。而在其它區(qū)域，由于原子的堆積會造成金屬薄膜上出現(xiàn)小丘，小丘短接會導致相鄰的兩條連線發(fā)生短路。器件工作時，隨著溫度的增加，這兩種缺陷會使鋁的電遷移更加嚴重，繼而形成惡性循環(huán)。向鋁中加入少量的銅（0.5%～4%），電遷移被有效的抑制。但由于銅的抗腐蝕性較差，所以，金屬反刻17當前17頁，總共59頁。后若有剩余的銅就會促使侵蝕的發(fā)生。鎢可應用于小范圍的局部金屬互連。鎢的抗電遷移性好，可靠性比鋁銅合金高。作為局部連線，鎢的電阻率較低，但對于長距離的連線，還是選擇鋁銅合金較好。18當前18頁，總共59頁。（3）阻擋層金屬阻擋層金屬是淀積金屬或金屬塞，其作用是阻止上下層材料互相混合，對于0.18μm工藝，阻擋層金屬厚約20nm。阻擋層金屬應具有以下基本特性：能很好的阻擋材料的擴散；電導率高，且有很低的歐姆接觸電阻；與半導體以及金屬間的粘附性很好；抗電遷移能力強；阻擋層很薄時穩(wěn)定性仍然很高；抗侵蝕和氧化性要好。19當前19頁，總共59頁。通常用于阻擋層的金屬是鈦、鎢、鉭等難熔金屬。銅在硅和二氧化硅中的擴散率都很高，傳統(tǒng)的阻擋層遠不能滿足阻擋銅擴散的需要，需要有一層薄膜阻擋層將銅完全包裝起來。作為銅的阻擋層金屬材料需滿足以下要求：阻止銅擴散；薄膜電阻低；與介質(zhì)材料和銅的粘附性都很好；臺階覆蓋性好等。鉭、氮化鉭和鉭硅氮都是銅阻擋層的備選材料。為了不影響深寬比較高的栓塞的電阻率，阻擋層必須很薄。20當前20頁，總共59頁。（4）硅化物難熔金屬與硅反應形成硅化物，硅化物的熱穩(wěn)定性較高，并且硅-難熔金屬界面的電阻率較低。為了提高芯片性能，需要減小硅接觸電阻，所以，硅化物是非常重要的。21當前21頁，總共59頁。若參加反應的是多晶硅，形成的是多晶硅化物，多晶硅柵的電阻率較高，導致RC信號的延遲。多晶硅化物對減小連接多晶硅的電阻有益，而且與氧化硅的界面特性也很好。硅化物是把難熔金屬淀積在wafer上，進行高溫退火處理形成的。鈦/硅是最普遍的接觸硅化物，它用作晶體管有源區(qū)和鎢栓塞之間的接觸。因為顆粒尺寸比鈦/硅的尺寸小了約十倍，鈷硅化物的接觸電阻很低。顆粒尺寸小也使得它的接觸電阻比較容易形成。因此，對于小尺寸器件，鈷硅化物是很有希望的硅化物。22當前22頁，總共59頁。在一些硅化物中發(fā)現(xiàn)，硅迅速的擴散穿過硅化物。擴散發(fā)生在金屬-硅化物-硅系統(tǒng)的熱處理過程中，硅擴散穿過硅化物進入到金屬中，降低了系統(tǒng)的完整性。所以需要在硅化物和金屬層之間淀積一層金屬阻擋層，氮化鈦用于鎢和鋁的金屬阻擋層，鉭用于銅的金屬阻擋層。23當前23頁，總共59頁。填充生產(chǎn)金屬硅化物的步驟如下：

依次用有機溶液、稀釋過的氫氟酸和去離子水除去wafer表面的雜質(zhì)，再用氮氣干燥wafer。

快速將清洗干燥后的wafer金屬淀積腔內(nèi)，有的wafer需要采用氬離子濺射法清潔表面；

在wafer上淀積厚約20～200nm的金屬薄膜，襯底溫度保持室溫，也可在較高或較低的溫度下進行淀積；

采用各種退火方法進行熱退火，包括傳統(tǒng)的燒結(jié)退火和快速熱退火，以便反應生產(chǎn)金屬硅化物；24當前24頁，總共59頁。3.栓塞多層金屬布線使得金屬化系統(tǒng)中出現(xiàn)很多通孔，為了保證兩層金屬間形成電通路，這些通孔需要用金屬塞來填充。用于制作栓塞的材料有很多種，但實用性較高，且已被集成電路制造廣泛應用的是鎢塞和鋁塞。25當前25頁，總共59頁。鎢塞的制備有毯覆式金屬鎢淀積和選擇性金屬鎢兩種。毯覆式金屬鎢淀積也叫反刻鎢塞工藝，采用化學氣相淀積法生長鎢薄膜后，將wafer上多余的鎢刻蝕掉，是最廣泛的制備技術(shù)。選擇性金屬鎢工藝中，鎢只在接觸窗底部成核生長，直至長滿整個孔洞，介質(zhì)層表面不會生長鎢膜，所以，不需附加粘著層，也不需進行鎢反刻，工藝簡單。但互連可靠性較低，而且鎢要同時填滿接觸窗也很困難。因此，集成電路制造不采用此法。

26當前26頁，總共59頁。PVD法制備的鋁膜臺階覆蓋能力較差，接觸窗或通孔開口的水平方向有較厚的鋁淀積，孔洞內(nèi)壁的鋁膜較薄，易產(chǎn)生孔隙，影響可靠性。CVD法制備的鋁膜電阻率低，臺階覆蓋能力強。因此，通常選擇鋁作為互連材料，鎢作為栓塞填充材料。27當前27頁，總共59頁。金屬膜的制備金屬薄膜的制備方法有蒸發(fā)、濺射、金屬CVD以及電鍍等。1.金屬CVD

CVD有很強的臺階覆蓋能力，具有良好的高深寬比接觸和無間隙式的填充，在金屬淀積方面應用非常廣泛。28當前28頁，總共59頁。（1）氮化鈦CVD金屬化系統(tǒng)中氮化鈦主要作為Al、Cu以及W的金屬阻擋層，可以阻止上下層材料間的交互擴散，增強穩(wěn)定性和可靠性。PVD法制備的氮化鈦膜會在接觸窗或介質(zhì)窗頂部產(chǎn)生懸突，繼而導致孔洞的產(chǎn)生。所以，氮化鈦通常采用金屬化學氣相淀積法制備。29當前29頁，總共59頁。氮化鈦CVD根據(jù)參加反應的氣體分為有機和無機兩種，無機的氮化鈦CVD氣體源主要是四氯化鈦，有機的則主要是是TDMAT和TDEAT兩種。無機氣體淀積由于淀積溫度過高以及殘留氯原子影響器件的可靠性等問題，不常采用。而有機淀積的溫度較低，所以氮化鈦的淀積通常采用金屬有機化學氣相淀積（MOCVD）。MOCVD可分為TDMAT/TDEAT和TDMAT+/TDEAT+兩大類，反應氣體中不含氨氣時，淀積膜的阻值太大，而且C、O含量過多，生長溫度也較高。30當前30頁，總共59頁。加入氨氣可將生長溫度降至450℃以下，淀積膜的電阻率下降，因此可用于通孔填充。MOCVD的化學反應活化能很低，是擴散限制的反應機制，鍍膜速率與反應物擴散至wafer表面的速率有關，所以當反應物擴散至通孔內(nèi)壁時產(chǎn)生反應成鍵，覆蓋率較低。針對MOCVD法淀積的氮化鈦膜含C、O量過多的問題，有一些方法加以改善：快速熱退火、氮氣等離子體法、硅烷氣體處理。31當前31頁，總共59頁。（2）鎢CVD鎢在高電流密度下有很好的抗電遷移能力，不會形成小丘導致線路短接，且低壓下可與硅形成良好的歐姆接觸，常常用作接觸窗以及介質(zhì)窗的填充金屬和擴散阻擋層。因其電阻率較低，也常用于多層互連及局域互連。鎢CVD典型的被淀積成墊膜的形式，最常采用的是通過與氫氣反應生成鎢32當前32頁，總共59頁。為了阻止鎢的擴散、保證它能很好的粘附在下層材料上，需要在淀積鎢之前淀積一層氮化鈦膜。而為了得到低的接觸電阻，又需要在淀積氮化鈦之前淀積鈦。所以，墊膜CVD的第一步是采用物理氣相淀積法制備鈦膜，接著淀積一層氮化鈦膜，最后再進行鎢的淀積與平坦化.33當前33頁，總共59頁。34當前34頁，總共59頁。35當前35頁，總共59頁。（3）銅CVD在合適的工藝條件下，CVD法淀積銅膜可實現(xiàn)選擇性淀積，銅膜只會淀積在金屬表面，不會淀積到氧化物表面上。因此，可先用金屬和氧化物定義出需要的淀積圖案。CVD法淀積銅膜的速率是由表面的反應速度控制的過程，淀積的銅膜平整均勻、表面非常光滑，而且臺階覆蓋能力和通孔填充能力都很強?；瘜W氣相淀積法制備銅膜，首先必須選擇合適的前驅(qū)物，目前，通常選擇有機的銅化合物。這類化合物經(jīng)過化學反應生成的銅原子會淀積成膜。36當前36頁，總共59頁。2.銅電鍍傳統(tǒng)的物理氣相淀積法制備銅，成本高，而且很難填充細小的孔洞。而電鍍法制備銅具有成本低、工藝簡單以及反應溫度低的優(yōu)點，加之良好的孔洞填充能力和低的電阻率，頗具應用潛力。銅電鍍的基本原理是將具有導電表面的wafer浸泡在硫酸銅溶液中，溶液中包含需要被淀積的銅。Wafer作為帶負電荷的平板或陰極連接至外電源，固體銅塊沉浸在溶液中構(gòu)成帶正電荷的陽極。電流從wafer進入溶液到達銅37當前37頁，總共59頁。陰極，當電流流動時，銅離子與電子反應生成銅原子，反應如下：此反應發(fā)生在wafer表面，生成的銅原子在wafer表面淀積成膜?？刂齐婂兊氖菚r間和電流。沒有電流時，陽極、陰極以及溶液之間相互平衡，加上電壓時，陽極和陰極之間產(chǎn)生電流，金屬淀積在陰極，而且，電流越大，金屬淀積的越多。電鍍法具有較高的淀積速率和好的穩(wěn)定性，是目前研究的趨勢。38當前38頁，總共59頁。

39當前39頁，總共59頁。平坦化

多層互連線引起了大的表面起伏，wafer表面變得不平整。不平整的wafer表面會影響光傳播的精確度，無法在其上準確的進行圖形制作。平坦化技術(shù)就是用來減小或最小化由工藝所導致的表面不平整的問題。40當前40頁，總共59頁。1.傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)傳統(tǒng)的的平坦化技術(shù)有反刻法、玻璃回流法以及旋涂膜層法等。（1）反刻

41當前41頁，總共59頁。反刻法是先淀積一層犧牲層來填充wafer表面的空洞和凹槽，然后再用干法刻蝕技術(shù)刻蝕掉犧牲層，通過比低處圖形快的刻蝕速率刻蝕掉高處圖形達到平坦化的效果?？涛g直到待刻材料達到最后的厚度，而且犧牲層材料仍然填充著wafer表面的凹槽。反刻工藝有多種，由圖形、金屬層次等決定。但反刻只能實現(xiàn)局部表面的平坦，不能實現(xiàn)整個表面的平坦化。42當前42頁，總共59頁。（2）玻璃回流法玻璃回流是在高溫下對摻雜氧化硅加熱，使其流動，從而達到局部平坦化的效果。但這種方法不能滿足深亞微米集成電路中的多層金屬布線技術(shù)的要求。43當前43頁，總共59頁。（3）旋涂膜層法旋涂膜層是在wafer表面旋涂不同液體材料以獲得平坦化的一種技術(shù)，主要用于0.35μm及以上尺寸的器件平坦化與縫隙填充。這種方法的平坦化效果與溶液的成分、分子重量等因素都有關。旋涂的材料可以是光刻膠、摻雜二氧化硅或各種樹脂。旋涂后通過烘烤蒸發(fā)掉溶劑，留下氧化硅填充低處的間隙，為了進一步填充表面的縫隙，可采用CVD法再淀積一層氧化硅。44當前44頁，總共59頁。傳統(tǒng)的平坦化方法都只是局部化的平坦，如果是整個平面的介電層平坦則通常采用化學機械拋光法來完成。2.化學機械平坦化（CMP）CMP是利用wafer和拋光頭之間的運動來平坦化的，通過比去除低處圖形快的速度去除高處圖形來獲得平坦的表面。拋光頭與wafer之間有磨料，利用加壓使得磨料與wafer表面相互作用達到平坦化的效果。CMP的拋光精度比較高，是目前使用最廣泛的平坦化技術(shù)。45當前45頁，總共59頁。46當前46頁，總共59頁。（1）拋光機理氧化硅拋光是wafer制造中使用最早、最廣泛的CMP技術(shù)，是用來進行層間介質(zhì)的全局平坦的。拋光時，磨料中的水與氧化硅反應生成氫氧鍵，即表面水合作用。水合作用降低了氧化硅的硬度、機械強度以及化學耐久性。拋光過程中，wafer表面由于摩擦產(chǎn)生的熱量也會降低氧化硅的硬度。硬度降低的氧化硅被磨料中的顆粒機械地磨去，起到平坦的作用。47當前47頁，總共59頁。金屬拋光時，磨料與金屬表面接觸并使其氧化生成金屬氧化物，而后生成的氧化物被磨料中的顆粒機械地磨掉，重復進行這一過程，最終得到平坦的表面。拋光結(jié)束，為了消除wafer表面的微小擦痕和顆粒，需要用去離子水對其進行清洗。（2）圖形密度效應CMP技術(shù)對圖形比較敏感，高密度區(qū)比低密度區(qū)拋光速率要大。在芯片表面既有很密的金屬互連線區(qū)域，也有幾乎沒有金屬連線的區(qū)域，這都會使得拋光效果受到影響。48當前48頁，總共59頁。49當前49頁，總共59頁。當金屬線排列比較緊密時，拋光過程可能會對金屬線產(chǎn)生不必要的侵蝕，圖形區(qū)域金屬、氧化物被減薄。產(chǎn)生侵蝕的原因是拋光金屬層時，對其下方的氧化硅產(chǎn)生輕微的過拋光，高密度圖形區(qū)域，侵蝕比較嚴重。為了減小侵蝕，應縮短拋光過程。也可在拋光過程中加入緩沖氧化層，用來平坦氧化層的凸出區(qū)域，來減小侵蝕。50當前50頁，總共59頁。CMP的另一個缺陷是凹陷，即圖形中央拋光量較大。缺陷的大小與被拋光圖形的寬窄有關，圖形越寬，凹陷越大；凹陷也會受到拋光墊硬度的影響，軟的拋光墊適合與軟的金屬線；拋光時，施加的壓力越大，凹陷也越大。51當前51頁，總共59頁。（3）磨料和拋光墊磨料和拋光墊是拋光過程的消耗品，它們對化學機械拋光的質(zhì)量影響非常大，必須嚴加控制。