金属化与平坦化

1. 金属化与平坦化

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。

3. 互连金属

5. 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）

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: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。

7. 对IC金属化系统的主要要求 • High speed • High reliability • High density (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

8. 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。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。 早期结构是简单的AL/Si接触 Early structures were simple Al/Si contacts.

9. 金属层和硅衬底形成什么接触？

10. 金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触，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 Ohmic Contact SchottkyContact metal metal Heavily doped N+ Si N- Si • 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；

12. 形成欧姆接触的方式 Al/p-Si势垒高度 0.4eV • 高复合欧姆接触 • 高掺杂欧姆接触 • 低势垒欧姆接触 一般金属和P型半导体 的接触势垒较低 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 Al/N-Si势垒高度 0.7eV 需高掺杂欧姆接触

13. 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2.65µΩ-cm）；工艺简单； • 易形成低阻欧姆接触。

14. 铝互连

15. 金属和硅接触的问题--- 1.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填充到空洞,引起短路

16. 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( 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

17. 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

18. 解决方法： • 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜2～4％）合金。 • 铜原子在多晶状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。

19. 3. Al 与二氧化硅的反应 4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间的短路失效。

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

21. 硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)

22. 铝铜合金 • 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

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，从而降低了信号的传播速度。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。

24. 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。

25. 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。

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0.25µm工艺来说为100nm；对0.35µm工艺来说为400～600nm。 • 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。

27. 钽 铜 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。

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； 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. 在很薄的并且高温下具有很好的稳定性； 6. 抗侵蚀和氧化。

29. Silicide 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

30. 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，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。

31. 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：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：

32. 钛多晶硅化物 多晶硅栅 钛硅化物 掺杂硅 多晶硅上的多晶硅化物 Polycide 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电阻是有益的

33. 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。

34. 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。

35. 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。

36. 自对准硅化物工艺 Salicide 侧墙氧化层 多晶硅 场氧化层 有源硅区 Silicon substrate 1. 有源硅区 2. 钛淀积 钛硅反应区 TiSi2 形成 3. 快速热退火处理 4. 去除钛 Self-aligned silicide (“salicide”) process

37. 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 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 patterning 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.

38. polycide:降低栅极电阻salicide：既能降低栅极电阻，又能降低源漏电阻

39. 什么叫做polycide和Salicide结构及工艺？他们的优点是什么？如何实现？什么叫做polycide和Salicide结构及工艺？他们的优点是什么？如何实现？

40. 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.栅掩模光刻 • 5.RIE刻蚀 • 6. S/D离子注入

41. Salicide（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。

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。

43. 在接触孔 (通孔) 中的钨塞 铝接触孔 氧化硅 (介质) 氧化硅 (介质) 早期金属化技术 现代金属化技术 1. 穿过氧化层刻蚀接触孔 2. 铝淀积 3. 铝刻蚀 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 多层金属的钨填充塞

44. IC 中的金属塞 SiO2

45. 阻挡层金属 • 阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，采用阻挡层可以消除诸如AlSi互溶和尖刺（如图所示）等问题

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、钽Ta、钼MO、钴Co、铂Pt等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。

47. Ti 通孔 PECVD SiO2 间隙填充介质 铝 1. 层间介质通孔刻蚀 2 准直钛淀积覆 盖通孔底部 TiN 钨填充 薄膜 钨通孔薄膜 • CVD TiN • 等角淀积 4. CVD 钨淀积 5. 钨平坦化 具有 Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨 CVD 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

48. 超大规模集成电路中Cu的互连集成技术

49. 铜连线的电阻R比铝连线小。铜的电阻率为1.7μΩ/cm，铝的电阻率为3.1μΩ/cm铜连线的电阻R比铝连线小。铜的电阻率为1.7μΩ/cm，铝的电阻率为3.1μΩ/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 needed

50. 铜互连所面临的问题 铜的污染问题 －Cu是半导体的深能级杂质，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