电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术
西安交通大学微电子技术教研室
刘润民
第十三章
金属化
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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 。 高性能的微处理器用金
属线在一个芯片上连接几千万个器件, 随着互连
复查性的相应增加, 预计将来每个芯片上晶体管
的密度将达到 10亿个 。
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 。
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目 标
通过本章学习，将能够,
1,解释金属化；
2,列出并描述在芯片制造中的 6种金属，讨论它们的
性能要求并给出每种金属的应用；
3,解释在芯片制造过程中使用金属化的优点，描述
应用铜的挑战；
4,叙述溅射的优点和缺点；
5,描述溅射的物理过程，讨论不同的溅射工具及其
应用；
6,描述金属 CVD的优点和应用；
7,解释铜电镀的基础；
8,描述双大马士革法的工艺流程。
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引 言
芯片金属化是应用化学或物理处理方法在芯片
上淀积导电金属膜的过程 。 这一过程与介质的淀积
紧密相关, 金属线在 IC电路中传输信号, 介质层则
保证信号不受邻近金属线的影响 。
金属化对不同金属连接有专门的术语名称 。 互
连 （ interconnect） 意指由导电材料 （ 铝, 多晶硅或
铜 ） 制成的连线将信号传输到芯片的不同部分 。 互
连也被用做芯片上器件和整个封装之间普通的金属
连接 。 接触 （ contact） 意指硅芯片内的器件与第一
层金属之间在硅表面的连接 。 通孔 （ via） 是穿过
各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层之间
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 。
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多层金属化
层间介质
金属互连结构
在硅中扩散
的有源区 亚 0.25μm CMOS 剖面
具有钨塞的通孔互连结构
复合金属互连
局部互连（钨）
初始金属接触
Figure 12.1
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? 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 。 在一个芯片上有许多通孔, 据估计, 一
个 300mm2单层芯片上的通孔数达到一千亿个
。 在一层 ILD中制造通孔的工艺, 在芯片上的
每一层都被重复 。
? 金属化正处在一个过渡时期, 随着铜冶金术的
介入正经历着快速变化以取代铝合金 。 这种变
化源于刻蚀铜很困难, 为了克服这个问题, 铜
冶金术应用双大马士革法处理, 以形成通孔和
铜互连 。 这种金属化过程与传统金属化过程相
反 （ 见下图 ） 。
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传统和大马士革金属化比较
传统互连流程
氧化硅通孔 2刻蚀
钨淀积 + CMP
金属 2淀积 + 刻蚀
覆盖 ILD 层和 CMP
双大马士革流程
覆盖 ILD 层和 CMP
氮化硅刻蚀终止层
(光刻和刻蚀 )
第二层 ILD 淀积和穿过
两层氧化硅刻蚀
铜填充
铜 CMP
Figure 12.2
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铜金属化
Photo 12.1
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以提高性能为目的, 用于芯片互连的金属和金属
合金的类型正在发展, 对一种成功的金属材料的
要求是,
1,导电率, 要求高导电率, 能够传道高电流密度 。
2,黏附性,能够黏附下层衬底, 容易与外电路实现电连接
3,淀积,易于淀积经相对低温处理后具有均匀的结构和组分
4,刻印图形 /平坦化,提供高分辨率的光刻图形
5,可靠性,经受温度循环变化, 相对柔软且有好的延展性
6,抗腐蚀性,很好的抗腐蚀性, 层与层以及下层器件区有最
小的化学反应 。
7,应力,很好的抗机械应力特性, 以便减少硅片的扭曲和材
料的失效 。
金属类型
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硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20° C)
材料 熔点 ( ? C)
电阻率
( ? ? - c m )
硅 ( Si) 1412 ? 1 0
9
掺杂的多晶硅 1412 ? 5 0 0 – 5 2 5
铝 ( A l) 660 2, 6 5
铜 ( C u ) 1083 1, 6 7 8
钨 ( W ) 3417 8
钛 ( T i) 1670 60
钽 ( T a) 2996 13 – 1 6
钼 ( Mo ) 2620 5
铂 ( P t) 1772 10
Table 12.1
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在硅片制造业中
各种金属和金属合金可组成下列种类
? 铝
? 铝铜合金
? 铜
? 阻挡层金属
? 硅化物
? 金属填充塞
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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 。 在 21世纪制造高性能 IC工艺中, 铜互连金属
有望取代铝 。 然而, 由于基本工艺中铝互连金属
的普遍性, 所以选择铝金属化的背景是有益的 。
铝在 20℃ 时具有 2.65μΩ-cm的低电阻率, 比铜
,金及银的电阻率稍高 。 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 。 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 。
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铝 互 连
IL D - 4
IL D - 5
ILD -6
T o p N i tr i d e
Bo n d in g p a d M e ta l-5
(A lu m in u m )
M e ta l - 4
V ia - 4
M e ta l-4 is p re ce d e d b y o th e r via s,in te rla ye r d ie le ct ric,a n d m e t a l la y e r s,
M e ta l - 3
Figure 12.3
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欧姆接触
为了在金属和硅之间形成接触, 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 。 在硅上加热烘烤铝形成期
望的电接触界面, 被称为欧姆接触 （ 有很低
的电阻 ） 。 接触电阻与接触面积成反比, 在
现代芯片设计中, 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 ） 。
在某些特殊的芯片上有上亿个接触点
,为了获得良好的电性能, 一个可靠的具有
低电阻和牢固附着的界面是非常重要的 。
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欧姆接触结构
Gate
阻挡层金属
欧姆接触
铝、钨、铜等
Source Drain
Oxide
Figure 12.4
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结, 穿通,, 在加热过程中, 铝和硅之间易出现
不希望的反应, 该反应导致接触金属和硅形成微合
金, 这一过程被称为结, 穿通, 。 当纯铝和硅界面
加热时结尖刺发生, 并导致硅向铝中扩散 。 结尖刺
的问题可通过在铝中添加硅和阻挡层金属化两种方
法解决 。
结短路
浅结
Figure 12.5
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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 。 在 ULIS
技术, 高级电路的设计中, 芯片温度会随着电流
密度而增加, 两者都会使铝芯片金属化更易引起
电迁徒 。
小丘短接的两条金属线
金属线中的空洞
Figure 12.6
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IC互连金属化引入铜的优点
1,电阻率的减小,在 20℃ 时, 互连金属线的电阻
率从铝的 2.65 ??-cm 减小到铜的 1.678 ??-cm；减少 RC的信号延迟, 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％ to 30 %的潜力 。
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与 0.25-?m 器件比较互连延迟的变化
工艺技术
0,2 5
? m
0,1 8
? m
0,1 3
? m
传统互连技术,
? 铝 / 铜 互连合金和氮化钛阻挡层金属
0 +2 1 % +9 3 %
新一代技术,
? 减少阻挡层的厚度
? 低 - k 值 (3,0 ) 介质
? 双大马士革铜互连和填充薄膜
- 10%
- 27%
- 16%
Table 12.2
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铝和铜之间特性和工艺的比较
特性 / 工艺 Al Cu
电阻率 ( ? ? - cm )
2,6 5
(3,2 f o r A l - 0, 5 % Cu )
1,6 7 8
抗电迁徒 L o w H i g h
空气中抗侵蚀 H i g h L o w
CV D 工艺 Y es No
CMP 化学机械平坦化工艺 Y es Y es
Table 12.3
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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。
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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
Figure 12.7
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阻挡层金属在半导体工业中被广泛应用 。 为
了连接铝互连金属和硅源漏之间的钨填充薄膜接
触, 阻挡层金属阻止了硅和钨互相进入接触点,
也阻止了钨和硅的扩散以及任何结尖刺 。 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。
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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 。 对铜来说对这个特殊的
阻挡层金属要求,
1,阻止铜扩散；
2,低薄膜电阻；
3,对介质材料和铜都有很好的附着；
4,与化学机械平坦化过程兼容；
5,具有很好的台阶覆盖，填充高深宽比间隙的金
属层是连续、等角的；
6,允许铜有很小的厚度，占据最大的横截面积。
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钽作为铜的阻挡层金属,对于铜互连冶金术来说, 钽
,氮化钽和钽化硅 （ TaSiN） 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
Figure 12.8
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硅化物
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
（ 如下图 ） 。 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 （ 见下图 ） 。 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 RC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 。
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硅接触上的难溶金属硅化物
钛 /钛钽阻挡层金属
金属钨
钛硅化物接触
Silicon substrate
多晶硅栅
钛硅化物接触
Oxide Oxide Source Drain
Figure 12.9
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多晶硅上的多晶硅化物
钛多晶硅化物
钛硅化物 多晶硅栅
掺杂硅
Figure 12.10
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硅化物的一些特性
硅化物
最低熔化温度
( ? C)
形成的典型温度
( ? C)
电阻率
( ? ? - c m )
钴 / 硅 ( C oS i
2
) 900 550 – 700 10 – 18
钼 / 硅 ( MoS i
2
) 1410 900 – 1100 100
铂 / 硅 ( P tS i) 830 700 – 800 28 – 35
钽 / 硅 ( Ta S i
2
) 1385 900 – 1100 35 – 45
钛 / 硅 ( TiS i
2
) 1330 600 – 800 13 – 25
钨 / 硅 ( W S i
2
) 1440 900 – 1100 70
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TiSi2的退火相
烧结 的 温度
电阻率
TiSi 2 – C4 9
625 – 675 ? C
60 – 65 ? ? - cm
TiSi 2 – C5 4
800 ? C
10 – 15 ? ? - cm
Figure 12.11
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自对准硅化物
? 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 。
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与自对准硅化物有关的芯片性能问题
STI
TiSi2
STI S
G
D
TiSi2 TiSi2
TiSi2
减少的方阻 减少栅的电阻
减少的接触电阻 减少的二极管 漏电
Figure 12.12
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自对准金属硅化物的形成
2,钛淀积
Silicon substrate
1,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
Figure 12.13
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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 。
? 钨是难熔材料, 熔点为,3417℃, 在 20℃ 时, 体电
阻率是 52.8μΩ-cm。
? 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 。
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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
Figure 12.14
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IC 中的金属塞
SiO2
Photo 12.2
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金属淀积系统
物理气相淀积 (PVD)
用于半导体制造业的传统金属化工艺归并
到被称为物理气相淀积 （ PVD） 一类 。 PVD开始
是用灯丝蒸发实现的, 接着是用电子束, 最近是
通过溅射 。 化学气相淀积已成为淀积金属薄膜最
常用的技术 。
在 SSI和 MSI IC时代, 蒸发是主要的金属化
方法 。 由于蒸发台阶覆盖的特性差, 所以后来被
溅射取代 。 被用于传统和双大马士革金属化的不
同金属淀积系统是,
? 蒸发
? 溅射
? 金属 CVD
? 铜电镀
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蒸 发
在半导体制造的早期, 所有金属层都是通过
蒸发 PVD方法淀积的 。 为了获得更好的台阶覆盖
,间隙填充和溅射速度, 在 70年代后期, 在大多
数硅片制造技术领域溅射已取代蒸发 。
蒸发由待蒸发的材料放进坩锅, 在真空系统
中加热并使之蒸发 （ 见下图 ） 。 最典型的加热方
法是利于电子束加热放置在坩锅中的金属 。 在蒸
发中保持高真空环境 。 蒸汽分子的自由程增加,
并在真空腔里以直线形式运动, 直到它撞击表面
凝结形成薄膜 。
蒸发的最大缺点是不能产生台阶覆盖；性能上
不能形成具有深宽比大于 1.0:1的连续薄膜；还有
对淀积合金的限制 。
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简单的蒸发装置
机械泵
高真空阀
高真空泵
工艺腔
(钟罩 ) 坩锅
蒸发金属
载片盘
Figure 12.15
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溅 射,
溅射也是物理气相淀积形式之一, 主要是一个
物理过程, 而非化学过程 。 在溅射过程中, 高能
粒子在撞击具有高纯度的靶材料固体平板, 按物
理过程撞击出原子 。 这些被撞击出的原子穿过真
空, 最后淀积在硅片上 。 溅射的优点是,
1,具有淀积并保持复杂合金原组分的能力；
2,能够淀积高温熔化和难熔金属；
3,能够在直径为 (200 mm 或更大的硅片上控制淀积均
匀薄膜；
4,具有多腔集成设备, 能够在淀积金属前清除硅片
表面沾污和本身的氧化层 (被称为原位溅射刻蚀 )。
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简单平行金属板直流二极管溅射系统
尾气
e- e-
e-
DC 直流二极管
溅射装置
衬底
1) 电场产生 Ar+
离子 2) 高能 Ar
+ 离子和
金属靶撞击
3) 将金属原子
从 靶中撞击
阳极 (+)
阴极 (-)
氩原子
电场
金属靶
等离子体
5) 金属淀积在衬底上
6) 用真空泵将多余
物质从腔中抽走 4) 金属原子向衬底迁移,
进气
+
+ + +
+
Figure 12.16
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基本溅射步骤
? 在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有
负电势的靶材料加速；
? 在加速过程中获得动量，并轰击靶；
? 离子通过物理过程从靶上撞击出（溅射）原子，
靶具有想要的材料组分；
? 被撞击出（溅射）的原子迁移到硅片表面；
? 被溅射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，与靶材
料相比，薄膜具有与它基本相同的材料组分；
? 额外材料由真空泵抽走。
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溅射中的物理学
溅射的一个基本方面是氩气被离化形成等离
子体 。 氩被用做溅射离子, 是因为它相对较重并
且化学上是惰性气体, 这避免了和生长薄膜或靶
发生化学反应 。 如果一个高能电子撞击中性的氩
原子, 碰撞电离外层电子, 产生了带正电荷的氩
离子 。 这个具有能量的粒子被用于轰击带负电的
靶材料以便被溅射 。
带正电荷的氩离子在等离子体中被阴极靶的
负电位强烈吸引 。 当这些带电的氩离子通过辉光
放电区时, 它们被加速并获得动能 。 当氩离子轰
击靶表面时, 氩离子的动能转移给靶材料以撞击
出一个或多个原子 。 被撞出的这些原子穿过等离
子体抵达硅片表面 。
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溅射过程中从靶的表面撞出金属原子
+ 0
高能 Ar+ 离子
被溅射的
金属原子
金属原子
阴极 (-)
弹回的氩离子和自由电
子复合形成中性原子
Figure 12.17
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除了被溅射的原子被轰击外, 还有其它核素
淀积在衬底上 （ 见下图 ） 。 这些核素给衬底加热
（ 使温度达到 350℃ ）, 引起薄膜淀积不均匀 。 在
铝的淀积过程中, 高温也可能产生不需要的铝氧
化, 这反而妨碍了溅射过程 。 另外如果这些核素
（ 杂质原子 ） 掺杂进正在衬底上生长的薄膜, 这
将引起薄膜的质量问题 。
以上介绍的溅射系统是一个简单的直流二极管
系统, 它不能用于溅射介质, 因为电极被介质覆
盖, 辉光放电不能够维持 。 同样也不能用于溅射
刻蚀 。 下面介绍三类溅射系统,
? RF (射频 )
? 磁控
? IMP (离子化的金属等离子体 )
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不同核素淀积在衬底上
阳极 (+)
阴极 (-)
电场
金属靶
等离子体辉
光产生的光
子
被溅射
的原子
Substrate
高能原子
中子
包含杂质的阴
离子
轰击靶产生的
X-射线
阴离
子
– e-
Figure 12.18
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磁控溅射
? 磁控溅射系统是在靶的周围和后面装置了磁体以
俘获并限制电子于靶的前面 （ 见下图 ） 。 这种设
置增加了离子在靶上的轰击率, 产生更多的二次
电子, 进而增加等离子体中电离的速率 。 最后的
结果是 。 更多的离子引起对靶更多的溅射, 因此
增加了系统的淀积速率 。
? 磁 控 溅 射 设 计 需 要 有 一 个 能 量 （ 大 约 从
3KW~20KW）, 供应给氩等离子体, 以便取得最
大的溅射速率 。 由于靶吸收了这些能量中的大多
数, 并且靶与阴极接触, 因此阴极的冷却是必须
的
? 溅射淀积大面积硅片其均匀性较差 。 为了取得高
溅射速率和膜的均匀性, 需要发展能够旋转, 装
置稀土和高强度永磁体的新阴极 。
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磁控溅射系统
DC 电源
被加热的硅片吸盘
磁铁
氩气入口
真空泵
靶
阴极
Figure 12.20
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准直溅射
? 为了在接触孔或通孔的底部和边沿取得较好的覆
盖, 通过利用准直溅射能够获得直接的增强 （ 见
下图 ） 。 设置的准直器好像是等离子体的阴极 。
用这种方法, 任何从靶上被溅射出的高角度中性
核素被中断, 并淀积在准直器上 。 从靶上直线喷
射的其他原子将通过准直器淀积在接触孔的底部
,准直器在接触孔中减少了对侧墙的覆盖 。
? 准直器的应用意味着被溅射的材料大部分将达到
不了硅片, 因为被溅射材料的大部分终止在准直
器上, 这个结果降低了溅射的生产效率 。 如果台
阶覆盖是一个关键因素, 那么在磁控溅射的基础
上用 IMP或 CVD淀积会更有效 。
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准直溅射
表明溅射薄膜覆盖通孔的剖面图
Ar
靶
准直器
准直溅射系统
Figure 12.21
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离子化的金属等离子体 PVD的概念
Substrate
Electrode
电极
钛靶
+
+
RF场
高能氩
离子
钛离
子
被溅射的钛原子
e-
e-
离子体
DC 电源
RF 发生器
DC 场
DC 偏置
电源
电感线圈
Figure 12.22
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
金属 CVD,
由于化学气相淀积具有良好的台阶覆盖以
及对高深宽比接触通孔无间隙式的填充, 在金
属淀积方面它的应用正在增加 。 当器件的特征
尺寸减小到 0.15μm或更小时, 这些因素在硅片
制造业中至关重要 。 在 0.15μm的器件设计中,
DRAM存储器通孔的深宽比被设计成 7:1,逻辑
电路设计成 2.4:1。
? 钨 CVD
– 极好的台阶覆盖和间隙填充
– 良好的抗电迁徒特性
? 铜 CVD
– 极好的一致性
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具有 Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨 CVD
Ti
2 准直钛淀积覆
盖通孔底部
间隙填充介质
铝
通孔
PECVD SiO2
1,层间介质通孔刻蚀
3,CVD TiN
等角淀积
TiN
4,CVD 钨淀积
钨通孔
薄膜
5,钨平坦化
钨填充
薄膜
Figure 12.23
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PVD 多腔集成设备
Photo 12.3
Photo Courtesy of Applied Materials,Inc,
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铜电镀系统
- 阴极
+ 阳极
衬底
电镀液
入口
出口 出口
铜离
子
铜原子附着
在硅片上
+
+
Figure 12.24
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铜电镀
? IC 制造业转到铜金属化对所有芯片制造商来说
都只是刚刚起步 。 首先, 高性能处理器和快速
静态存储器正在转向铜工艺 。
? 电镀铜金属的基本原理是将具有导电表面的硅
片沉浸在硫酸铜溶液中, 这个溶液包含所需要
淀积的铜 （ 见下图 ） 。 硅片和种子层作为带负
电荷的平板或阴极电连接到外电源 。 固体铜块
沉浸在溶液中并构成带正电荷的阳极 。 电流从
硅片进入溶液到达铜阴极 。 当电流流动时, 下
列反应在硅片表面淀积铜金属,
Cu2+ + 2e- Cuo
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铜电镀工具
Used with permission from Novellus Systems,Inc,
Photo 12.4
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双大马士革法的铜金属化
1,SiO2 淀积
说明,用 PECVD 淀积内层氧化硅到希望的厚
度, 这里没有关键的间隙填充, 因此
PECVD 是可以接受的 。
SiO2
Table 12.5.1
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2,Si3N4 刻蚀阻挡层淀积
说明,厚 250 ? 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 。
Si3N4
表 12.5.2
双大马士革法的铜金属化
Table 12.5.2
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表 12.5.3
双大马士革法的铜金属化
3,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。
SiN
Table 12.5.3
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表 12.5.4
双大马士革法的铜金属化
4：淀积保留介质的 SiO2
说明,为保留层间介质,PECVD 氧化硅淀
积。
SiO2
Table 12.5.4
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表 12.5.5
双大马士革法的铜金属化
5,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。
Photoresist
Table 12.5.5
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表 12.5.6
双大马士革法的铜金属化
6,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 。
Table 12.5.6
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表 12.5.7
双大马士革法的铜金属化
7：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
Table 12.5.7
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表 12.5.8
双大马士革法的铜金属化
8,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
Table 12.5.8
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表 12.5.9
双大马士革法的铜金属化
9,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
Table 12.5.9
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表 12.5.10
双大马士革法的铜金属化
10,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 。
Copper
Table 12.5.10
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金属化质量测量
? 检查的质量参数,
1,溅射金属的附着；
2,溅射薄膜的应力；
3,溅射的膜厚；
4,溅射薄膜的均匀性
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小 结
? 金属化淀积的金属薄膜, 在芯片上形成了互连
金属线和接触孔或通孔连接 。 有 6类金属用于
硅片制造业, 各有不同的特点满足不同的性能
要求 。
? 铝用作传统的互联金属线 。 欧姆接触是硅和互
连金属之间的低阻接触 。
? 铝也常和铜形成合金最大程度地解决电迁徒稳
定性问题, 铜的含量在 0.5％ ～ 4％ 之间
? 新的互连金属化建立在铜冶金的基础上以减小
金属电阻 。 铜和具有低 K值的介质联合使用将
减小芯片的互连延迟 。
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? 连接金属时常使用阻挡层金属，不同的阻挡层
金属是否具有合适的特性取决于应用。
? 硅化物是难熔金属和硅形成的合金，用于减小
接触电阻和附着。
? 自对准硅化物是一种特殊的硅化物，它被用于
对准源、漏和栅结构。
? 应用最广泛的系统是溅射。溅射的物理特性是
轰击靶，以轰击出原子，并在硅片表面淀积这
些原子形成薄膜。
? 三类最普通的溅射类型是 RF、磁控和粒子化
金属等离子体。
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Chapter 12 Review
? Quality Measures 329
? Troubleshooting 330
? Summary 331
? Key Terms 331
? Review Questions 332
? Equipment/Suppliers’ Web Sites 332
? References 333
半导体制造技术
西安交通大学微电子技术教研室
刘润民
第十三章
金属化
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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 。 高性能的微处理器用金
属线在一个芯片上连接几千万个器件, 随着互连
复查性的相应增加, 预计将来每个芯片上晶体管
的密度将达到 10亿个 。
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 。
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目 标
通过本章学习，将能够,
1,解释金属化；
2,列出并描述在芯片制造中的 6种金属，讨论它们的
性能要求并给出每种金属的应用；
3,解释在芯片制造过程中使用金属化的优点，描述
应用铜的挑战；
4,叙述溅射的优点和缺点；
5,描述溅射的物理过程，讨论不同的溅射工具及其
应用；
6,描述金属 CVD的优点和应用；
7,解释铜电镀的基础；
8,描述双大马士革法的工艺流程。
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引 言
芯片金属化是应用化学或物理处理方法在芯片
上淀积导电金属膜的过程 。 这一过程与介质的淀积
紧密相关, 金属线在 IC电路中传输信号, 介质层则
保证信号不受邻近金属线的影响 。
金属化对不同金属连接有专门的术语名称 。 互
连 （ interconnect） 意指由导电材料 （ 铝, 多晶硅或
铜 ） 制成的连线将信号传输到芯片的不同部分 。 互
连也被用做芯片上器件和整个封装之间普通的金属
连接 。 接触 （ contact） 意指硅芯片内的器件与第一
层金属之间在硅表面的连接 。 通孔 （ via） 是穿过
各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层之间
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 。
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多层金属化
层间介质
金属互连结构
在硅中扩散
的有源区 亚 0.25μm CMOS 剖面
具有钨塞的通孔互连结构
复合金属互连
局部互连（钨）
初始金属接触
Figure 12.1
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
? 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 。 在一个芯片上有许多通孔, 据估计, 一
个 300mm2单层芯片上的通孔数达到一千亿个
。 在一层 ILD中制造通孔的工艺, 在芯片上的
每一层都被重复 。
? 金属化正处在一个过渡时期, 随着铜冶金术的
介入正经历着快速变化以取代铝合金 。 这种变
化源于刻蚀铜很困难, 为了克服这个问题, 铜
冶金术应用双大马士革法处理, 以形成通孔和
铜互连 。 这种金属化过程与传统金属化过程相
反 （ 见下图 ） 。
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
传统和大马士革金属化比较
传统互连流程
氧化硅通孔 2刻蚀
钨淀积 + CMP
金属 2淀积 + 刻蚀
覆盖 ILD 层和 CMP
双大马士革流程
覆盖 ILD 层和 CMP
氮化硅刻蚀终止层
(光刻和刻蚀 )
第二层 ILD 淀积和穿过
两层氧化硅刻蚀
铜填充
铜 CMP
Figure 12.2
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
铜金属化
Photo 12.1
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
以提高性能为目的, 用于芯片互连的金属和金属
合金的类型正在发展, 对一种成功的金属材料的
要求是,
1,导电率, 要求高导电率, 能够传道高电流密度 。
2,黏附性,能够黏附下层衬底, 容易与外电路实现电连接
3,淀积,易于淀积经相对低温处理后具有均匀的结构和组分
4,刻印图形 /平坦化,提供高分辨率的光刻图形
5,可靠性,经受温度循环变化, 相对柔软且有好的延展性
6,抗腐蚀性,很好的抗腐蚀性, 层与层以及下层器件区有最
小的化学反应 。
7,应力,很好的抗机械应力特性, 以便减少硅片的扭曲和材
料的失效 。
金属类型
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硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20° C)
材料 熔点 ( ? C)
电阻率
( ? ? - c m )
硅 ( Si) 1412 ? 1 0
9
掺杂的多晶硅 1412 ? 5 0 0 – 5 2 5
铝 ( A l) 660 2, 6 5
铜 ( C u ) 1083 1, 6 7 8
钨 ( W ) 3417 8
钛 ( T i) 1670 60
钽 ( T a) 2996 13 – 1 6
钼 ( Mo ) 2620 5
铂 ( P t) 1772 10
Table 12.1
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
在硅片制造业中
各种金属和金属合金可组成下列种类
? 铝
? 铝铜合金
? 铜
? 阻挡层金属
? 硅化物
? 金属填充塞
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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 。 在 21世纪制造高性能 IC工艺中, 铜互连金属
有望取代铝 。 然而, 由于基本工艺中铝互连金属
的普遍性, 所以选择铝金属化的背景是有益的 。
铝在 20℃ 时具有 2.65μΩ-cm的低电阻率, 比铜
,金及银的电阻率稍高 。 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 。 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 。
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铝 互 连
IL D - 4
IL D - 5
ILD -6
T o p N i tr i d e
Bo n d in g p a d M e ta l-5
(A lu m in u m )
M e ta l - 4
V ia - 4
M e ta l-4 is p re ce d e d b y o th e r via s,in te rla ye r d ie le ct ric,a n d m e t a l la y e r s,
M e ta l - 3
Figure 12.3
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
欧姆接触
为了在金属和硅之间形成接触, 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 。 在硅上加热烘烤铝形成期
望的电接触界面, 被称为欧姆接触 （ 有很低
的电阻 ） 。 接触电阻与接触面积成反比, 在
现代芯片设计中, 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 ） 。
在某些特殊的芯片上有上亿个接触点
,为了获得良好的电性能, 一个可靠的具有
低电阻和牢固附着的界面是非常重要的 。
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
欧姆接触结构
Gate
阻挡层金属
欧姆接触
铝、钨、铜等
Source Drain
Oxide
Figure 12.4
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
结, 穿通,, 在加热过程中, 铝和硅之间易出现
不希望的反应, 该反应导致接触金属和硅形成微合
金, 这一过程被称为结, 穿通, 。 当纯铝和硅界面
加热时结尖刺发生, 并导致硅向铝中扩散 。 结尖刺
的问题可通过在铝中添加硅和阻挡层金属化两种方
法解决 。
结短路
浅结
Figure 12.5
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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 。 在 ULIS
技术, 高级电路的设计中, 芯片温度会随着电流
密度而增加, 两者都会使铝芯片金属化更易引起
电迁徒 。
小丘短接的两条金属线
金属线中的空洞
Figure 12.6
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
IC互连金属化引入铜的优点
1,电阻率的减小,在 20℃ 时, 互连金属线的电阻
率从铝的 2.65 ??-cm 减小到铜的 1.678 ??-cm；减少 RC的信号延迟, 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％ to 30 %的潜力 。
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
与 0.25-?m 器件比较互连延迟的变化
工艺技术
0,2 5
? m
0,1 8
? m
0,1 3
? m
传统互连技术,
? 铝 / 铜 互连合金和氮化钛阻挡层金属
0 +2 1 % +9 3 %
新一代技术,
? 减少阻挡层的厚度
? 低 - k 值 (3,0 ) 介质
? 双大马士革铜互连和填充薄膜
- 10%
- 27%
- 16%
Table 12.2
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
铝和铜之间特性和工艺的比较
特性 / 工艺 Al Cu
电阻率 ( ? ? - cm )
2,6 5
(3,2 f o r A l - 0, 5 % Cu )
1,6 7 8
抗电迁徒 L o w H i g h
空气中抗侵蚀 H i g h L o w
CV D 工艺 Y es No
CMP 化学机械平坦化工艺 Y es Y es
Table 12.3
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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。
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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
Figure 12.7
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
阻挡层金属在半导体工业中被广泛应用 。 为
了连接铝互连金属和硅源漏之间的钨填充薄膜接
触, 阻挡层金属阻止了硅和钨互相进入接触点,
也阻止了钨和硅的扩散以及任何结尖刺 。 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。
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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 。 对铜来说对这个特殊的
阻挡层金属要求,
1,阻止铜扩散；
2,低薄膜电阻；
3,对介质材料和铜都有很好的附着；
4,与化学机械平坦化过程兼容；
5,具有很好的台阶覆盖，填充高深宽比间隙的金
属层是连续、等角的；
6,允许铜有很小的厚度，占据最大的横截面积。
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钽作为铜的阻挡层金属,对于铜互连冶金术来说, 钽
,氮化钽和钽化硅 （ TaSiN） 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
Figure 12.8
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅化物
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
（ 如下图 ） 。 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 （ 见下图 ） 。 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 RC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 。
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硅接触上的难溶金属硅化物
钛 /钛钽阻挡层金属
金属钨
钛硅化物接触
Silicon substrate
多晶硅栅
钛硅化物接触
Oxide Oxide Source Drain
Figure 12.9
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
多晶硅上的多晶硅化物
钛多晶硅化物
钛硅化物 多晶硅栅
掺杂硅
Figure 12.10
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅化物的一些特性
硅化物
最低熔化温度
( ? C)
形成的典型温度
( ? C)
电阻率
( ? ? - c m )
钴 / 硅 ( C oS i
2
) 900 550 – 700 10 – 18
钼 / 硅 ( MoS i
2
) 1410 900 – 1100 100
铂 / 硅 ( P tS i) 830 700 – 800 28 – 35
钽 / 硅 ( Ta S i
2
) 1385 900 – 1100 35 – 45
钛 / 硅 ( TiS i
2
) 1330 600 – 800 13 – 25
钨 / 硅 ( W S i
2
) 1440 900 – 1100 70
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TiSi2的退火相
烧结 的 温度
电阻率
TiSi 2 – C4 9
625 – 675 ? C
60 – 65 ? ? - cm
TiSi 2 – C5 4
800 ? C
10 – 15 ? ? - cm
Figure 12.11
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自对准硅化物
? 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 。
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与自对准硅化物有关的芯片性能问题
STI
TiSi2
STI S
G
D
TiSi2 TiSi2
TiSi2
减少的方阻 减少栅的电阻
减少的接触电阻 减少的二极管 漏电
Figure 12.12
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自对准金属硅化物的形成
2,钛淀积
Silicon substrate
1,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
Figure 12.13
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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 。
? 钨是难熔材料, 熔点为,3417℃, 在 20℃ 时, 体电
阻率是 52.8μΩ-cm。
? 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 。
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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
Figure 12.14
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IC 中的金属塞
SiO2
Photo 12.2
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金属淀积系统
物理气相淀积 (PVD)
用于半导体制造业的传统金属化工艺归并
到被称为物理气相淀积 （ PVD） 一类 。 PVD开始
是用灯丝蒸发实现的, 接着是用电子束, 最近是
通过溅射 。 化学气相淀积已成为淀积金属薄膜最
常用的技术 。
在 SSI和 MSI IC时代, 蒸发是主要的金属化
方法 。 由于蒸发台阶覆盖的特性差, 所以后来被
溅射取代 。 被用于传统和双大马士革金属化的不
同金属淀积系统是,
? 蒸发
? 溅射
? 金属 CVD
? 铜电镀
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蒸 发
在半导体制造的早期, 所有金属层都是通过
蒸发 PVD方法淀积的 。 为了获得更好的台阶覆盖
,间隙填充和溅射速度, 在 70年代后期, 在大多
数硅片制造技术领域溅射已取代蒸发 。
蒸发由待蒸发的材料放进坩锅, 在真空系统
中加热并使之蒸发 （ 见下图 ） 。 最典型的加热方
法是利于电子束加热放置在坩锅中的金属 。 在蒸
发中保持高真空环境 。 蒸汽分子的自由程增加,
并在真空腔里以直线形式运动, 直到它撞击表面
凝结形成薄膜 。
蒸发的最大缺点是不能产生台阶覆盖；性能上
不能形成具有深宽比大于 1.0:1的连续薄膜；还有
对淀积合金的限制 。
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简单的蒸发装置
机械泵
高真空阀
高真空泵
工艺腔
(钟罩 ) 坩锅
蒸发金属
载片盘
Figure 12.15
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溅 射,
溅射也是物理气相淀积形式之一, 主要是一个
物理过程, 而非化学过程 。 在溅射过程中, 高能
粒子在撞击具有高纯度的靶材料固体平板, 按物
理过程撞击出原子 。 这些被撞击出的原子穿过真
空, 最后淀积在硅片上 。 溅射的优点是,
1,具有淀积并保持复杂合金原组分的能力；
2,能够淀积高温熔化和难熔金属；
3,能够在直径为 (200 mm 或更大的硅片上控制淀积均
匀薄膜；
4,具有多腔集成设备, 能够在淀积金属前清除硅片
表面沾污和本身的氧化层 (被称为原位溅射刻蚀 )。
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简单平行金属板直流二极管溅射系统
尾气
e- e-
e-
DC 直流二极管
溅射装置
衬底
1) 电场产生 Ar+
离子 2) 高能 Ar
+ 离子和
金属靶撞击
3) 将金属原子
从 靶中撞击
阳极 (+)
阴极 (-)
氩原子
电场
金属靶
等离子体
5) 金属淀积在衬底上
6) 用真空泵将多余
物质从腔中抽走 4) 金属原子向衬底迁移,
进气
+
+ + +
+
Figure 12.16
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基本溅射步骤
? 在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有
负电势的靶材料加速；
? 在加速过程中获得动量，并轰击靶；
? 离子通过物理过程从靶上撞击出（溅射）原子，
靶具有想要的材料组分；
? 被撞击出（溅射）的原子迁移到硅片表面；
? 被溅射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，与靶材
料相比，薄膜具有与它基本相同的材料组分；
? 额外材料由真空泵抽走。
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溅射中的物理学
溅射的一个基本方面是氩气被离化形成等离
子体 。 氩被用做溅射离子, 是因为它相对较重并
且化学上是惰性气体, 这避免了和生长薄膜或靶
发生化学反应 。 如果一个高能电子撞击中性的氩
原子, 碰撞电离外层电子, 产生了带正电荷的氩
离子 。 这个具有能量的粒子被用于轰击带负电的
靶材料以便被溅射 。
带正电荷的氩离子在等离子体中被阴极靶的
负电位强烈吸引 。 当这些带电的氩离子通过辉光
放电区时, 它们被加速并获得动能 。 当氩离子轰
击靶表面时, 氩离子的动能转移给靶材料以撞击
出一个或多个原子 。 被撞出的这些原子穿过等离
子体抵达硅片表面 。
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溅射过程中从靶的表面撞出金属原子
+ 0
高能 Ar+ 离子
被溅射的
金属原子
金属原子
阴极 (-)
弹回的氩离子和自由电
子复合形成中性原子
Figure 12.17
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除了被溅射的原子被轰击外, 还有其它核素
淀积在衬底上 （ 见下图 ） 。 这些核素给衬底加热
（ 使温度达到 350℃ ）, 引起薄膜淀积不均匀 。 在
铝的淀积过程中, 高温也可能产生不需要的铝氧
化, 这反而妨碍了溅射过程 。 另外如果这些核素
（ 杂质原子 ） 掺杂进正在衬底上生长的薄膜, 这
将引起薄膜的质量问题 。
以上介绍的溅射系统是一个简单的直流二极管
系统, 它不能用于溅射介质, 因为电极被介质覆
盖, 辉光放电不能够维持 。 同样也不能用于溅射
刻蚀 。 下面介绍三类溅射系统,
? RF (射频 )
? 磁控
? IMP (离子化的金属等离子体 )
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不同核素淀积在衬底上
阳极 (+)
阴极 (-)
电场
金属靶
等离子体辉
光产生的光
子
被溅射
的原子
Substrate
高能原子
中子
包含杂质的阴
离子
轰击靶产生的
X-射线
阴离
子
– e-
Figure 12.18
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磁控溅射
? 磁控溅射系统是在靶的周围和后面装置了磁体以
俘获并限制电子于靶的前面 （ 见下图 ） 。 这种设
置增加了离子在靶上的轰击率, 产生更多的二次
电子, 进而增加等离子体中电离的速率 。 最后的
结果是 。 更多的离子引起对靶更多的溅射, 因此
增加了系统的淀积速率 。
? 磁 控 溅 射 设 计 需 要 有 一 个 能 量 （ 大 约 从
3KW~20KW）, 供应给氩等离子体, 以便取得最
大的溅射速率 。 由于靶吸收了这些能量中的大多
数, 并且靶与阴极接触, 因此阴极的冷却是必须
的
? 溅射淀积大面积硅片其均匀性较差 。 为了取得高
溅射速率和膜的均匀性, 需要发展能够旋转, 装
置稀土和高强度永磁体的新阴极 。
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磁控溅射系统
DC 电源
被加热的硅片吸盘
磁铁
氩气入口
真空泵
靶
阴极
Figure 12.20
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准直溅射
? 为了在接触孔或通孔的底部和边沿取得较好的覆
盖, 通过利用准直溅射能够获得直接的增强 （ 见
下图 ） 。 设置的准直器好像是等离子体的阴极 。
用这种方法, 任何从靶上被溅射出的高角度中性
核素被中断, 并淀积在准直器上 。 从靶上直线喷
射的其他原子将通过准直器淀积在接触孔的底部
,准直器在接触孔中减少了对侧墙的覆盖 。
? 准直器的应用意味着被溅射的材料大部分将达到
不了硅片, 因为被溅射材料的大部分终止在准直
器上, 这个结果降低了溅射的生产效率 。 如果台
阶覆盖是一个关键因素, 那么在磁控溅射的基础
上用 IMP或 CVD淀积会更有效 。
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准直溅射
表明溅射薄膜覆盖通孔的剖面图
Ar
靶
准直器
准直溅射系统
Figure 12.21
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离子化的金属等离子体 PVD的概念
Substrate
Electrode
电极
钛靶
+
+
RF场
高能氩
离子
钛离
子
被溅射的钛原子
e-
e-
离子体
DC 电源
RF 发生器
DC 场
DC 偏置
电源
电感线圈
Figure 12.22
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金属 CVD,
由于化学气相淀积具有良好的台阶覆盖以
及对高深宽比接触通孔无间隙式的填充, 在金
属淀积方面它的应用正在增加 。 当器件的特征
尺寸减小到 0.15μm或更小时, 这些因素在硅片
制造业中至关重要 。 在 0.15μm的器件设计中,
DRAM存储器通孔的深宽比被设计成 7:1,逻辑
电路设计成 2.4:1。
? 钨 CVD
– 极好的台阶覆盖和间隙填充
– 良好的抗电迁徒特性
? 铜 CVD
– 极好的一致性
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具有 Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨 CVD
Ti
2 准直钛淀积覆
盖通孔底部
间隙填充介质
铝
通孔
PECVD SiO2
1,层间介质通孔刻蚀
3,CVD TiN
等角淀积
TiN
4,CVD 钨淀积
钨通孔
薄膜
5,钨平坦化
钨填充
薄膜
Figure 12.23
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PVD 多腔集成设备
Photo 12.3
Photo Courtesy of Applied Materials,Inc,
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铜电镀系统
- 阴极
+ 阳极
衬底
电镀液
入口
出口 出口
铜离
子
铜原子附着
在硅片上
+
+
Figure 12.24
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铜电镀
? IC 制造业转到铜金属化对所有芯片制造商来说
都只是刚刚起步 。 首先, 高性能处理器和快速
静态存储器正在转向铜工艺 。
? 电镀铜金属的基本原理是将具有导电表面的硅
片沉浸在硫酸铜溶液中, 这个溶液包含所需要
淀积的铜 （ 见下图 ） 。 硅片和种子层作为带负
电荷的平板或阴极电连接到外电源 。 固体铜块
沉浸在溶液中并构成带正电荷的阳极 。 电流从
硅片进入溶液到达铜阴极 。 当电流流动时, 下
列反应在硅片表面淀积铜金属,
Cu2+ + 2e- Cuo
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铜电镀工具
Used with permission from Novellus Systems,Inc,
Photo 12.4
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双大马士革法的铜金属化
1,SiO2 淀积
说明,用 PECVD 淀积内层氧化硅到希望的厚
度, 这里没有关键的间隙填充, 因此
PECVD 是可以接受的 。
SiO2
Table 12.5.1
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2,Si3N4 刻蚀阻挡层淀积
说明,厚 250 ? 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 。
Si3N4
表 12.5.2
双大马士革法的铜金属化
Table 12.5.2
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表 12.5.3
双大马士革法的铜金属化
3,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。
SiN
Table 12.5.3
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表 12.5.4
双大马士革法的铜金属化
4：淀积保留介质的 SiO2
说明,为保留层间介质,PECVD 氧化硅淀
积。
SiO2
Table 12.5.4
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表 12.5.5
双大马士革法的铜金属化
5,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。
Photoresist
Table 12.5.5
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表 12.5.6
双大马士革法的铜金属化
6,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 。
Table 12.5.6
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表 12.5.7
双大马士革法的铜金属化
7：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
Table 12.5.7
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表 12.5.8
双大马士革法的铜金属化
8,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
Table 12.5.8
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表 12.5.9
双大马士革法的铜金属化
9,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
Table 12.5.9
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表 12.5.10
双大马士革法的铜金属化
10,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 。
Copper
Table 12.5.10
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金属化质量测量
? 检查的质量参数,
1,溅射金属的附着；
2,溅射薄膜的应力；
3,溅射的膜厚；
4,溅射薄膜的均匀性
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小 结
? 金属化淀积的金属薄膜, 在芯片上形成了互连
金属线和接触孔或通孔连接 。 有 6类金属用于
硅片制造业, 各有不同的特点满足不同的性能
要求 。
? 铝用作传统的互联金属线 。 欧姆接触是硅和互
连金属之间的低阻接触 。
? 铝也常和铜形成合金最大程度地解决电迁徒稳
定性问题, 铜的含量在 0.5％ ～ 4％ 之间
? 新的互连金属化建立在铜冶金的基础上以减小
金属电阻 。 铜和具有低 K值的介质联合使用将
减小芯片的互连延迟 。
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? 连接金属时常使用阻挡层金属，不同的阻挡层
金属是否具有合适的特性取决于应用。
? 硅化物是难熔金属和硅形成的合金，用于减小
接触电阻和附着。
? 自对准硅化物是一种特殊的硅化物，它被用于
对准源、漏和栅结构。
? 应用最广泛的系统是溅射。溅射的物理特性是
轰击靶，以轰击出原子，并在硅片表面淀积这
些原子形成薄膜。
? 三类最普通的溅射类型是 RF、磁控和粒子化
金属等离子体。
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Chapter 12 Review
? Quality Measures 329
? Troubleshooting 330
? Summary 331
? Key Terms 331
? Review Questions 332
? Equipment/Suppliers’ Web Sites 332
? References 333
