集成電路制造工藝 課件 5金屬淀積

金屬淀積2

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，介質層則保證信號不受臨近金屬線的影響。金屬化3金屬化工藝的作用4金屬鋁互連5金屬鋁互連6金屬鋁互連7金屬鋁互連系統(tǒng)中的失效與改進891011金屬銅互連12金屬銅互連13最早用于集成電路制造的金屬就是鋁，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，鋁作為首選金屬用于金屬化。

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。鋁互連&銅互連14金屬填充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。15金屬淀積的方法

蒸發(fā)

濺射

金屬CVD

金屬淀積需要考慮的是如何在硅片表面形成具有良好的臺階覆蓋能力、良好的接觸以及均勻的高質量金屬薄膜。物理氣相淀積是金屬淀積最常用的方法。物理氣相淀積（PVD）指的是利用某種物理過程實現(xiàn)物質的轉移，即原子或分子由源轉移到襯底（硅）表面上，并淀積形成薄膜。這一過程沒有化學反應發(fā)生。金屬淀積的方法

蒸發(fā)

臺階覆蓋能力、粘附性較差PVD

濺射

臺階覆蓋能力、粘附性好早期使用最廣泛的是蒸發(fā)法，這種方法具有較高的淀積速率，所制備膜的的純度較高。但是它固有的缺點又限制了在現(xiàn)今工藝中的應用，包括臺階覆蓋能力和與襯底的粘附性較差、淀積多元化合金金屬薄膜時成分難以控制。金屬淀積的方法因此濺射法在超大規(guī)模集成電路制造中已基本取代蒸發(fā)法；但是在分立器件(二極管、三極管等)及要求不高的中小規(guī)模集成電路中蒸發(fā)還是被廣泛應用。蒸發(fā)

原理蒸發(fā)：材料熔化時產(chǎn)生蒸氣的過程。真空蒸發(fā)就是利用蒸發(fā)材料在高溫時所具有的飽和蒸氣壓進行薄膜制備。蒸發(fā)換句話說，蒸發(fā)就是指真空條件下加熱蒸發(fā)源，將被淀積材料加熱到發(fā)出蒸氣，蒸氣原子以直線運動通過腔體到達襯底（硅片）表面，凝結形成固態(tài)薄膜。因為真空蒸發(fā)法的主要物理過程是通過加熱蒸發(fā)材料，使其原子或分子蒸發(fā)，所以又稱熱蒸發(fā)。蒸發(fā)優(yōu)缺點優(yōu)點設備簡單操作容易、所制備的薄膜純度較高、成膜速率快、生長機理簡單等。缺點所形成薄膜與襯底附著力小，臺階覆蓋能力差等。蒸發(fā)蒸發(fā)現(xiàn)階段主要是用在小規(guī)模集成電路及分立器件制造中，另外也被應用在背面鍍金上以便更好地提高歐姆接觸以及芯片和封裝材料的粘合力。真空蒸發(fā)設備MARK50真空蒸發(fā)設備北儀800系列鍍膜機真空蒸發(fā)設備真空系統(tǒng)加熱蒸發(fā)系統(tǒng)片架真空蒸發(fā)設備（1）真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境。

真空蒸發(fā)過程必須在高真空的環(huán)境中進行，否則蒸發(fā)的原子或分子與大量殘余氣體分子碰撞，將使薄膜受到嚴重污染，甚至形成氧化物或者由于殘余分子的阻擋難以形成均勻連續(xù)的薄膜。真空蒸發(fā)設備真空環(huán)境是由一套真空系統(tǒng)實現(xiàn)的，主要包括前級泵和高真空泵。前級泵主要是機械泵和羅茨泵等，用來對真空室進行粗抽；高真空泵主要有渦輪分子泵和冷泵等，用來實現(xiàn)真空室的高真空狀態(tài)。真空蒸發(fā)設備（2）片架：用來放置硅片，一般可以放置數(shù)十片，所以蒸發(fā)工藝可以對硅片進行批量加工。片架的旋轉方式主要是片架的“公轉”加硅片的“自轉”，兩種方式同時工作，在硅片上形成厚度均勻的金屬薄膜，并改善其臺階覆蓋能力。片架及腔室內(nèi)部構造真空蒸發(fā)設備片架（行星盤）（3）加熱蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)源的裝置，以及加熱和測溫裝置。加熱蒸發(fā)系統(tǒng)加熱蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)鍍膜的方法1.電阻加熱蒸發(fā)用難熔金屬（如鎢）制成舟狀,將材料固定在加熱舟上，當電流通過加熱舟時材料被不斷加熱到熔點，蒸發(fā)出來形成薄膜，叫做電阻加熱蒸發(fā)。主要用于某些易熔化、氣化材料的蒸鍍。蒸發(fā)工藝主要在背面淀積金是采用阻蒸的方法。Au蒸發(fā)鍍膜的方法2.電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)由發(fā)射高速電子的電子槍和使電子作圓周運動的均勻磁場組成。在電子槍中，通過對螺旋狀燈絲加高壓后發(fā)射高速電子形成電子束。電子束進入均勻磁場后受洛侖茲力作用而作圓周運動，使電子束準確地射到蒸發(fā)材料的表面。電子束蒸發(fā)裝置電子束蒸發(fā)裝置蒸發(fā)鍍膜的方法電子束蒸發(fā)具有以下優(yōu)點，是真空蒸發(fā)鍍膜中最重要使用最廣泛的方法。1）電子束蒸發(fā)可以使熔點高達3000℃以上的材料蒸發(fā)。2）被蒸發(fā)的材料是放在水冷的坩堝內(nèi)，因而可避免容器材料的蒸發(fā)以及容器材料與蒸發(fā)材料之間的反應，可實現(xiàn)高純度薄膜的淀積。3）熱效率高，熱量直接加熱到蒸發(fā)材料的表面。蒸發(fā)的基本步驟和過程1.裝片抽真空：將清洗干凈的硅片裝入反應室，前級泵先對真空反應室進行粗抽，再由高真空泵繼續(xù)直到反應室達到預期的真空度。2.烘烤。對襯底進行加熱，去除表面水汽等。

蒸發(fā)的基本步驟和過程3.蒸發(fā)鍍膜。（1）蒸發(fā)過程：對蒸發(fā)源進行加熱，使其溫度達到蒸發(fā)材料的熔點，從固態(tài)變?yōu)檎魵?。?）輸運過程：蒸發(fā)材料蒸氣原子或分子在真空環(huán)境中由源飛向硅片。蒸發(fā)的基本步驟和過程（3）生長過程：飛到襯底表面的原子在表面上凝結生長成膜的過程。原子到達后將直接發(fā)生從氣相到固相的相變過程，立即凝結在襯底表面上。4.降溫后取片。蒸發(fā)的基本步驟和過程淀積速率通常用石英晶體速率指示儀測量，所用器件是一個諧振器板，當晶體頂部有材料蒸發(fā)淀積，所外加的質量將使得頻率偏移，由測得得頻率移動可得出淀積速率.

濺射在超大規(guī)模集成電路中，金屬化要能填充高深寬比的孔，并且產(chǎn)生等角的臺階覆蓋。然而蒸發(fā)最大的缺點是不能產(chǎn)生均勻的臺階覆蓋，因此蒸發(fā)在現(xiàn)代VLSI生產(chǎn)中逐漸被濺射淘汰。濺射1.概念具有一定能量的入射粒子在對固體表面進行轟擊時，入射粒子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動量的轉移，并可能將固體表面的原子濺射出來，稱這種現(xiàn)象叫濺射。在實際進行濺射時，通常是讓被加速的正離子轟擊作為陰極的靶，并從陰極靶濺射出原子，所以又稱陰極濺射。2.濺射的原理Ar靶原子靶材形成金屬膜套件磁鐵DC電源加熱器WaferAr+反應室濺射是物理氣相淀積薄膜的另一種方法。高純靶材料（純度在99.999%以上）平板接地極稱為陰極，襯底（硅片）具有正電勢稱為陽極。在高壓電場作用下，真空腔內(nèi)的氬氣經(jīng)過輝光放電后產(chǎn)生高密度的陽離子（Ar+），

Ar+被強烈吸引到靶材的陰極并以高速轟擊靶材使靶原子濺射出來。這些被濺射出來的原子將帶有一定的動能，并沿一定的方向射向襯底，從而實現(xiàn)在襯底上的薄膜淀積。濺射與蒸發(fā)一樣，也是一個物理過程。但是它對工作時的真空度不像蒸發(fā)那么高，通入氬氣前后分別是10-7乇和10-3乇（1乇=133Pa）。濺射過程都是建立在輝光放電的基礎上，即射向固體表面的離子都是來源于氣體的輝光放電。所謂輝光放電實際上是低壓氣體中顯示輝光的氣體放電現(xiàn)象。一般情況下，氣體基本處于中性狀態(tài)，只有極少量的原子電離。在沒有外場作用下，這些被電離的帶電離子與氣體分子一樣在空間作雜亂無章的運動。當這些氣體通入電壓較高的兩極間，稀薄氣體中的殘余正離子在電場中加速，有足夠的動能轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，經(jīng)碰撞過程產(chǎn)生更多的帶電粒子，使氣體導電，此放電過程呈現(xiàn)瑰麗的發(fā)光現(xiàn)象。濺射現(xiàn)象是在輝光放電過程中觀察到的。在輝光放電過程中離子對陰極的轟擊，可以使陰極的物質飛濺出來。

濺射的特性1.優(yōu)點1）濺射工藝適用于淀積合金，而且具有保持復雜合金原組分的能力。比如我們最常用的濺射AlSiCu合金中靶材含有0.5%的Cu，那么淀積的薄膜也含有0.5%的Cu。2）在濺射過程中濺射出的原子將從濺射過程中獲得很大的動能。由于能量的增加，可以改善臺階覆蓋性以及薄膜與襯底的粘附性。并且由于濺射來自平面源且能從各個角度覆蓋硅片表面，臺階覆蓋度還可得到進一步優(yōu)化。濺射的特性3）濺射不需考慮金屬熔點問題，因而能夠淀積難熔金屬。4）具有多腔集成設備，能夠在淀積金屬前清除硅片表面沾污和本身的氧化層。如果將硅片至于靶材位置，那么濺射系統(tǒng)就可起到清洗和刻蝕的作用，提高薄膜與硅片表面的粘附性。濺射的特性2.表征濺射特性的參量1）濺射閾值在集成電路制造中，采用濺射法制造的薄膜種類很多，所以需要的靶材種類也很多。對于每一種靶材，都存在一個能量閾值，低于這個值就不會發(fā)生濺射現(xiàn)象。濺射閾值主要取決于靶材本身的特性。

濺射的特性2）濺射率濺射率也稱濺射產(chǎn)額，是表征濺射特性最重要的一個參量。它表示正離子轟擊作為陰極的靶材時，平均每個正離子能從靶材上打出的原子數(shù)目，就是被濺射出的原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，用S（原子數(shù)/離子數(shù)）表示。

濺射的特性濺射率的大小與入射離子的能量、種類、靶材的種類、入射離子的入射角等因素有關。隨著入射離子能量的增加，濺射率指數(shù)上升；但當能量超過一定值后，由于出現(xiàn)明顯的離子注入現(xiàn)象而導致濺射率下降。濺射產(chǎn)額與入射離子能量的關系濺射的特性3.壓力對濺射過程的影響氣壓降低，氣體分子密度減小，輝光放電電離分子數(shù)也將減少，因而電流也將減小，濺射淀積率也將降低。另一方面，隨著壓力的增加，濺射出來的靶原子在向襯底運動過程中與氣體分子碰撞的機會增加，使靶原子偏離，甚至返回靶材方向，重新淀積在靶上，導致濺射淀積率下降。濺射方法1.直流濺射直流濺射又稱陰極濺射或直流二極濺射。二極是指一個陽極、一個陰極，靶材置于陰極處，基片置于陽極處。在陰陽兩極加上1.5~1.7kV的直流電壓，使室內(nèi)的氬氣輝光放電產(chǎn)生離子，從而達到濺射的目的。濺射方法2.射頻濺射使用直流濺射可以很方便地濺射淀積各種金屬薄膜，但前提之一是靶材應具有較好的導電性。若陰極是導體，由于電傳導陰極表面保持負電位；若是絕緣體，陰極表面被轟擊出的電子不能被補充。因此隨轟擊的進行陰極聚集大量正電荷，是陰陽兩極表面電勢減小；一旦小于支持放電值，放電現(xiàn)象馬上消失。濺射方法對于導電性較差的材料的濺射，我們找到了另一種濺射方法——射頻濺射。用交流電源代替直流電源就構成了交流濺射系統(tǒng)，由于常用的交流電源的頻率在射頻段，所以稱為射頻濺射。濺射方法射頻方法在濺射過程中可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應，即在射頻電場起作用的同時，靶材會自動地處于一個負電位，這將導致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。濺射方法自偏壓效應輝光放電會產(chǎn)生離子和電子。在射頻電場中電子的運動速度比離子的速度高很多，因而對一個既可以作為陰極又可以作為陽極的射頻電極來說，它在正半周期內(nèi)作為正電極接受的電子電量將比在負半周期作為負電極接受的離子電量多得多，靶材始終處于一個負電位吸引氬離子轟擊靶材，從而實現(xiàn)對絕緣材料的濺射。濺射方法3.磁控濺射從以上討論可以知道，濺射所需的氣壓較高，并且淀積速率也較低，氣體分子對薄膜產(chǎn)生污染的可能性也較高。因而，磁控濺射作為一種淀積速率高、工作氣體壓力較低的濺射技術具有獨特的優(yōu)越性。磁控濺射3290磁控濺射臺

濺射方法磁控濺射就是在靶材后面安裝磁體，以俘獲并限制電子在靶前面的活動。如后圖，將磁鐵裝在靶后,由于陰極表面存在極強的磁場，電子受沃倫茲力的作用而被限制在陰極面上一個較窄的陰影區(qū)內(nèi)進行螺旋運動,因提高了與氣體分子的碰撞次數(shù)，增加了等離子體的密度，從而提高了濺射速率；濺射方法磁控濺射系統(tǒng)濺射方法磁控濺射中從陰極表面反射的二次電子由于受到磁場的束縛而不再轟擊硅片，避免了硅片的升溫及器件特性的退化；在電磁場作用下，提高了氣體分子的離化度，所以在較低的氣壓下就可工作，同時也提高了膜的純度。濺射方法4.其它濺射方法磁控濺射是現(xiàn)在使用最廣泛的濺射方法。濺射方式還有反應濺射，離子束濺射，偏壓濺射等等。

濺射所用的材料雖然鋁在半導體鍍膜工藝上被廣泛應用，但是鋁存在電遷移引起的可靠性問題。而鋁銅合金當銅含量在0.5%到4%時期連線中的電遷移得到控制，因此現(xiàn)在濺射采用的靶材是鋁硅銅合金:AlSiCu代替Al不僅可以滿足前述要求，而且由于攙入了0.5%Cu后可以防止發(fā)生電遷移；攙入1%Si后可以防止Al尖楔造成的PN結失效。靶因離子轟擊而慢慢被侵蝕，當大約50%或再多一點兒的靶被侵蝕掉時就要求換靶。濺射所用的材料濺射的一個基本方面是氬氣被離化形成等離子體。氬被用作濺射離子，是因為它相對較重而且化學上是惰性氣體，這避免了它和生長的薄膜或靶發(fā)生化學反應。如果一個高能電子碰撞中性的氬原子，碰撞電離外層電子，產(chǎn)生了帶正電荷的氬離子。氬離子在等離子體中被陰極靶的負電位強烈吸引，轟擊靶材料以便濺射。濺射的過程和步驟1.清洗蒸發(fā)和濺射前都必須進行硅片清洗以保證薄膜和襯底良好的接觸。1）硅片表面污染來源有機物沾污：包括切、磨、拋工藝中的潤滑油脂；石蠟、松香等粘合劑；手指分泌的油脂及光刻膠、有機溶劑的殘留物等。金屬離子、氧化物及其他無機物質：包括腐蝕液中重金屬雜質離子的殘留；各種磨料中的氧化物或金屬離子；使用的容器、鑷子、水中的金屬離子沾污；各種氣體、人體汗液等引入的雜質離子。其他可溶性雜質

濺射的過程和步驟2）清洗過程a、濃硫酸和雙氧水=9：1的混合溶液作用：利用強酸性和強氧化性去除硅片表面的有機沾污和金屬離子b、氫氟酸漂洗液（氫氟酸和水=20：1的混合溶液）作用：利用其能腐蝕二氧化硅的特點來腐蝕自然生成的氧化層。當然，如果設備自身條件達到，也可直接利用濺射法來進行清洗。濺射的過程和步驟注意清洗前要進行每日的濺鋁點檢，用四探針測量鋁厚，并將數(shù)據(jù)輸入SPC（統(tǒng)計過程控制）。2.清洗檢查后將硅片裝入濺射臺進行鍍膜。3.鍍膜完成后檢查表面是否均勻、是否有沾污等。

4.測量表面反射率。金屬CVD物理氣相淀積（PVD）被廣泛應用于淀積金屬薄膜。然而，化學氣相淀積（CVD）在獲得優(yōu)良的臺階覆蓋和高深寬比通孔的填充方面有著明顯的優(yōu)勢。當特征尺寸減小到0.15μm下時優(yōu)點更加突出。在某些金屬層制備如高深寬比的鎢塞和電鍍前的銅層時具有更好的效果。1.鎢CVD鎢（W）因具有良好的的抗電遷移能力和導電性能，常被用于各種器件構造，以及MOS管的局部互連和通孔填充。在多層鋁互連技術中，單個微芯片中數(shù)以億計的通孔使用金屬鎢填充，工作性能穩(wěn)定，是形成有效的多金屬層系統(tǒng)的關鍵。1.鎢CVD1.鎢CVD濺射淀積鎢的成本較低，但方向控制較差，使得鎢淀積在通孔中不均勻，因而CVD成為淀積鎢的首選方法。淀積鎢前需淀積兩層薄膜：鈦膜和氧化鈦膜。鈦膜能有效降低接觸電阻，通常使用濺射法淀積；氧化鈦能保證鎢和下層材料之間良好的粘附性，常使用CVD淀積保證良好的臺階覆蓋。1.鎢CVD鎢塞成長使用LPCVD工藝。金屬鎢的電阻率較高(如：鎢５.３～１２；鋁２.６～３.７)，并且金屬鎢不易于圖形化，所以一般鎢只作為連接兩層金屬間的插塞，或作為金屬布線與晶體管電極之間連接的插塞，而不是作為整條布線。2.銅CVD銅CVD最普遍的應用是在銅電鍍制備銅互連線之前淀積一層薄種子層。為了獲得良好的銅互連線，有良好的臺階覆蓋并且連續(xù)沒有空洞的銅種子層時至關重要的，而CVD法具有的優(yōu)勢使其作為淀積銅種子層的主要方法。電鍍電鍍（ECP）是工業(yè)上傳統(tǒng)的鍍膜工藝之一。本節(jié)以銅電鍍?yōu)槔M行介紹，銅電鍍工藝具有成本低、工藝簡單、無需真空支持、增大電流可提高淀積速率等優(yōu)點，成為現(xiàn)代銅互連薄膜淀積的主要工藝。電鍍銅電鍍工藝是采用濕法化學品和電流將靶材上的銅離子轉移到硅片表面的過程。銅電鍍系統(tǒng)由電鍍液、脈沖直流電源、銅靶材（陽極）和硅片（陰極）等組成。電鍍液由硫酸銅、硫酸和水組成，呈淡藍色。電鍍Cu2++2e→Cu電鍍當電源加在銅靶和硅片之間時，溶液中產(chǎn)生電流并形成電場。銅靶（陽極）中的銅發(fā)生化學反應轉化成銅離子，并在外加電場的作用下向硅片（陰極）定向移動。到達硅片時，銅離子與陰極的電子反應生成銅原子并鍍在硅片表面。除了銅電鍍外，常用到銀電鍍。金屬化質量控制膜厚的測量反射率的測量均勻性的測量1.膜厚的測量金屬膜常用四探針進行測量。1.方塊電阻計算導電薄膜的一種最實用的方法是測量方塊電阻R□。L薄層電阻R=ρL/A=ρL/（wt）t對于正方形的薄層電阻，R=ρ/t=R□從上可以看出，方塊電阻只與薄膜材料和厚度有關。w1.膜厚的測量2.四探針法從R□=ρ/t可知，如果測出方塊電阻的值，而薄膜電阻率已知，即可計算出膜厚。在半導體制造中，四探針法被廣泛應用。四探針法是把4個在一條線上的探針等距離放置并接觸硅片。在外面的兩根探針之間施加已知電流，可測得里面兩根探針之間形成的電壓。R□=4.53U/I

A

U

2.反射率的測量