半导体器件与工艺(11).ppt

第十一章金属化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薄膜的过程。这一过程与介质的淀积紧密相连，金属线在IC电路中传导信号，介质层则保证信号不受邻近金属线的影响。金属和介质都是薄膜处理工艺，在某些情况下金属和介质是由同种设备淀积的。
金属化对不同金属连接有专门的术语。互连意指由导电材料，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。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。接触是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表面的连接。通孔是穿过各种介质层从某一金属层到毗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。
引言金属化正处在一个过渡时期，铜金属化正逐渐取代铝合金。由于刻蚀铜很困难，为了克服这个问题，铜金属化应用双大马士革(dualdamascene）法处理，以形成通孔和铜互连。这种金属化过程与传统的金属化过程相反。
金属化技术对于提高IC的性能很关键。对于早期IC技术而言，由互连线引起的信号延迟使得芯片的性能降低不是主要的。因为在传统器件中，主要信号延迟是由器件引起的。然而．对新一代ULSI产品制造业而言情况就不同了，金属布线越密，互连线引起的信号延迟就越大，对IC性能的制约影响也越大。
引言用于芯片互连的金属和金属合金的要求是：
1.导电率：必须具有高电导率，能够传导高电流密度。
2.粘附性：能够粘附下层衬底，容易与外电路实现电连接。与半导体和金属表面连接时接触电阻低。
3.易淀积：易于淀积并经相对的低温处理后具有均匀的结构和组分。
4.刻印图形／平坦化：为刻蚀过程提供具有高分辨率的光刻图形；大马士革金属化易于平坦化。
5.可靠性：为了在处理和应用过程中经受住温度循环变化，金属应相对柔软且有较好的延展性。
6.抗腐蚀性：很好的抗腐蚀性，在层与层之间以及下层器件区具有最小的化学反应。
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失效，比如断裂、空洞的形成和应力诱导缺陷。
在硅片制造业中各种金属和金属合金可组合成下列种类：
●铝
●铝铜合金
●铜
●阻挡层金属
●硅化物
●金属填充塞
■铝
在半导体制造业中，最早的互连金属是铝，而且它在硅片制造业中仍然是最普通的互连金属。
选择铝在制造硅片时，铝以薄膜的形式在硅片中连接不同器件。同时，铝是淀积在硅片上的最厚的薄膜之一，第一层金属厚约5000Å。在硅片上，上层非关键层（例如，具有焊接区的金属层）其厚度能达到20000Å。
欧姆接触为了在铝和硅之间形成接触，加热界面是必要的。这一过程通常在惰性气体或还原的氢气环境中，在450-500℃进行。这个加热过程也被称为低温退火或烧结。欧姆接触电阻与接触面积成反比，即接触面积越小，电阻越大。在现代芯片设计中，欧姆接触用特殊的难熔金属，在硅表面作为接触以减小电阻、增强附着。欧姆接触是应用自对准硅化物过程制备的，使它很准确位于源／漏的上方并非常靠近栅结构。在加热过程中，铝和硅之间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”。当纯铝和硅界面被加热时结尖刺发生，并导致硅向铝中扩散。硅溶解在铝中的量是不均匀的，它取决于加热过程的时间和温度。如果纯铝被加热到450℃，并且提供了硅源，硅将开始溶解在铝中，直到它的浓度达到约0.5%为止。这里的硅源就是硅片，问题在于硅溶解时，硅片中随后留下了空洞，允许“穿通”形成，结果渗透到硅接触区。如果铝形成一个浅结的欧姆接触，结尖刺有可能引起结短路。
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。第一种方法是利用铝和硅的合金而不是纯铝。如果铝中已经有硅，那么硅从衬底向铝中溶解的速度将会减慢。然而硅在铝中形成合金的量是有限的，由于硅在铝凝结，可能导致节结（小的硅高浓度区域）的形成。节结的形成，可能明显地增加接触电阻，并且在节结点的局部加热可能引起可靠性严重下降。解决结尖刺问题的主要方法是引入阻挡层金属化以抑制扩散。
■铝铜合金
铝有电迁徙引起的可靠性问题。由于动量从传输电流的电子转移，引起铝原子在导体中移动，在大电流密度的情形下，电子和铝原子碰撞，引起原子逐渐移动。原子的移动导致原子在导体负极的损耗。在导体中，发生原子损耗就会产生空洞，引起连线减薄，一个潜在的可能是引起断路、在导体的其他区域，有金属原子堆积，金属原子堆起来形成小丘。由于电迁徙，小丘在金属薄膜的表面鼓出，如果过多或大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在一起。芯片温度会随着电流密度而增加，这两者都会使铝芯片金属化更易于引起电迁徙。
由铝和铜形成的合金，当铜的含量在0.5%到4%之间时，其连线中的电迁徙得到控制。通过减少铝中颗粒之间界面的扩散效果，使得形成的合金从根本上增加了传输电流的能力。如果铜和铝形成合金，更需要关心的是，用等离子