金属化-半导体制造技术剖析ppt课件.ppt

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1、半导体制造技术半导体制造技术半导体制造技术半导体制造技术第第 1 12 2 章章金属化金属化 DE LIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 2病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程课程大纲课程大纲1.解释金属化之专有名词。2.能列出和说明晶圆制造中6种金属。讨论每一种金属的特性要求及应用。3.能解释铜金属化在晶圆制造中之优点。描述铜制程之挑战性。4.叙述溅镀之优点及缺点。5.叙述溅镀之物理特性及讨论不同的溅镀工具及应用。6.叙述金属CVD之优点及应用。7.解释铜电镀之原理。8.描述双镶嵌式制程之流程。3病原

2、体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程多层金属化 层间介电质 金属内联机结构硅基板之扩散区 次0.25微米CMOS横切面具有钨插塞之介质孔内联机结构金属堆栈内联机 区域内联机(钨)初始金属接触图 12.1 4病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程传统及镶嵌式金属化 传统内联机流程氧化层介质孔-2蚀刻钨沈积CMP金属-2沈积蚀刻盖ILD层及CMP双镶嵌式流程盖ILD层及CMP氮化物蚀刻停止层(图案化及蚀刻)第二ILD层沈积及蚀刻穿过二氧化层铜充填铜CMP图

3、12.2 5病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程铜金属化(Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering)照片 12.1 6病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.1.导电性导电性 2.2.附着性附着性 3.3.沈积沈积 4.4.图案及平坦化图案及平坦化 5.5.可靠度可靠度6.6.腐蚀性腐蚀性 7.7.应力应力 成功的金属材料之需求 7病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相

4、对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程硅及选用晶圆制造的金属(在20)表 12.1 8病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程晶圆制造中所用的金属及合金 铝铝铜合金铜阻障层金属硅化金属金属插塞 9病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程铝内联机 图 12.3 金属-5接合垫(铝)上层氮化物 金属-4介质孔-4金属-3 金属-4是位于其他介质孔、层间介电质和金属层之上10病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一

5、定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程奥姆接触结构 闸极阻障层金属奥姆接触铝、钨、铜等源极 汲极氧化层图 12.4 11病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程接面尖峰 接面短路浅接面图 12.5 12病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程金属在线小丘状 二金属线间小丘状导致短路金属线内之凹洞图 12.6 13病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程铜内联机的优点1.降低电阻率降低

6、电阻率 铝内联机电阻率为2.65-cm，而铜可降至1.678-cm 2.降低功率消耗降低功率消耗 3.3.紧密的构装密度紧密的构装密度 4.优越的抗电迁移性优越的抗电迁移性 5.较少的制程步骤较少的制程步骤 减少20至30%之制程步骤。14病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程和0.25m组件比较，内联机延迟之变化 表 12.2 15病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程比较Al与Cu之性质制程 表 12.3 16病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏

7、机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程在半导体内联机使用铜的3个主要的挑战难题 1.铜很快速地扩散进入氧化物及硅中 2.铜若使用一般的电浆蚀刻技术，将不易形成图案化 3.在低温下(200)，铜在空气中易氧化且无法形成一保护层使氧化作用停止 17病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程铜内联机结构之阻障层 阻障层金属铜图 12.7 18病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程佳的阻障层金属的重要性质 1.使用阻障层金属使得在

8、烧结温度下(意谓材料受热处理)两接口材料(如钨与硅)的扩散率是低的。2.高电子导电率，具有低的奥姆接触电阻。3.半导体和此金属间有好的附着性。4.佳的抗电迁移率。5.厚度薄及在高温下稳定度高。6.抗腐蚀及氧化。19病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程铜阻障层金属的特殊需求1.防止铜扩散。2.低的薄膜电阻率。3.介电材料和铜之间有好的附着性。4.适合于CMP。5.金属层在高深宽比间隙中必须是连续的且有佳的阶梯覆盖能力。6.最小的厚度可使铜占有最大的横切面面积。20病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性

9、，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程Ta作为铜阻障层金属 铜 钽 图 12.8 21病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程在硅接触的耐高温硅化金属 Ti/TiN阻障层金属钨金属Ti硅化金属接触硅基板多晶硅闸极Ti硅化金属(多晶硅化金属)接触氧化物氧化物源极汲极图 12.9 22病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程所选用硅化金属的某些性质 表 12.4 23病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖

10、，引起不同程度的病理生理过程多晶硅上的多晶硅化金属 Ti多晶硅化金属Ti硅化金属多晶硅闸极经掺杂的硅图 12.10 24病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图 12.11 TiSi2的回火相 25病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程芯片之自我对准硅化金属结构 STITiSi2STISGDTiSi2TiSi2TiSi2片电阻降低降低闸极至S/D间阻值接触阻值降低二极管漏电流降低图 12.12 26病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对

11、稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程自我对准硅化金属(Salicide)之形成 2.钛沈积硅基板1.硅主动区 场氧化层间隙壁氧化层多晶硅硅主动区3.快速热回火处理 钛硅反应区域4.钛去除 TiSi2形成 图 12.13 27病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程多重金属层的钨插塞 早期金属化技术 1.厚氧化层沈积2.氧化层平坦化3.穿过氧化层之蚀刻接触4.阻障层金属沈积5.钨沈积6.钨平坦化 1.穿过氧化层之蚀刻接触2.铝沈积3.铝蚀刻 接触窗内(介质孔)之钨插塞氧化层(介电质)铝接触氧化层(介电质)现

12、行金属化技术 图 12.14 28病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程毯覆性铝蚀刻SiO2(Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering)照片 12.2 插塞 多晶硅闸极29病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程金属沈积系统物理气相沈积 蒸镀溅镀金属CVD铜电镀 30病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程简易的蒸镀机

13、粗抽帮浦高真空阀高真空帮浦制程反应室(钟罩式)坩锅蒸镀金属晶圆承载器图 12.15 31病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程溅镀的优点 1.易于沈积且可维持合金成分。2.可沈积高温及耐高温金属。3.可控制沈积均匀的薄膜于大晶圆上(200nm或更大)。4.多重反应室群集机台可于金属沈积前清除晶圆表面污染物及原生氧化物(称之为现场溅镀蚀刻(in situ sputter etch)。32病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程DC二极溅镀系统之简单平行板

14、抽出e-e-e-e-e-e-DC二极溅镀机基板 1)电场形成Ar 离子2)高能Ar 离子撞击金属靶3)金属原子从 靶材移出阳极阴极氩原子电场金属靶电浆 5)基板上沉积金属 6)过多的物质藉由真空帮浦从反应室中移出4)金属原子往基板移动气体传送+图 12.16 33病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程从溅镀靶材表面移出金属原子+0高能Ar 离子被溅击出之金属原子金属原子阴极()反弹之氩离子和自由电子结合以形成中性原子图 12.17 34病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起

15、不同程度的病理生理过程溅镀产额和下列条件有关系 1.轰击离子的入射角。2.靶材的组成及几何形状3.轰击离子的质量。4.轰击离子的能量。35病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程落于基板上之不同物质 阳极(+)阴极()电场金属靶源自辉光电浆之光子溅击出之原子基板高能电子中性原子离子包含杂质源自靶轰击之X射线离子e e-图 12.18 36病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程3种溅镀系统形式 RF(射频)磁控IMP(离子化金属电浆)37病原体侵入机体，消

16、弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程RF溅镀系统 氩气气体流量控制器涡轮帮浦RF产生器匹配之网络微控制器操作接口抽出 平盘 电极靶材基板电容粗抽帮浦压力控制器气体盘图 12.19 38病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程磁控溅镀 DC功率供应热晶圆平盘磁铁 氩气进入 真空帮浦 靶材 阴极图 12.20 39病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程准直管溅镀 介质孔之溅镀薄膜覆盖之横切面Ar靶材准直

17、管 准直管溅镀系统 图 12.21 40病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程离子化金属电浆 基板电极电极钛靶材+RF场高能Ar 离子Ti离子溅击出之Ti原子e e-e e-电浆DC供应RF产生器DC场DC偏压供应图 12.22 感应线圈41病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程金属CVD钨CVD 有优异的阶梯覆盖及填沟 抗电迁移性佳 铜CVD 优越的均匀性 42病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不

18、同程度的病理生理过程用Ti/TiN阻障层金属之毯覆性钨CVD Ti 2.平行式Ti沈积覆 于介质孔之底部 填沟介电质铝 介质孔PECVD SiO2 1.层间介质孔蚀刻 3.CVD TiN均匀沈积TiN4.CVD钨沈积钨充填介质孔5.钨平坦化钨插塞图 12.23 43病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程PVD群集机台 照片 12.3(Photo courtesy of Applied Materials,Inc.)44病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理

19、过程铜电镀 阴极(-)+铜阳极基板电铜溶液Inlet出口出口铜离子铜原子附于晶圆上+图 12.24 45病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程铜电镀机台(Photo courtesy of Novellus)照片 12.4 46病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程照片 12.4 毯覆性铝蚀刻毯覆性铝蚀刻(Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering)插塞 多晶硅闸极47病原体侵入机体，消弱

20、机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程使用双镶嵌之铜金属化 制程步骤制程步骤:SiO2沈积 说明说明:以PECVD法沈积ILD氧化层至介质孔所需的厚度。填沟并不是很关键，因此PECVD法是可接受使用。.SiO2表 12.5.1 48病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程制程步骤制程步骤 :SiN蚀刻停止层之沈积 说明说明:在ILD氧化层上沈积薄的(250)SiN蚀刻停止层。此SiN必须是稠密且无针孔，因此，可使用HDPCVD法。SiN使用双镶嵌之铜金属化 表 12.5.2

21、 49病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程使用双镶嵌之铜金属化制程步骤制程步骤:介质孔图案化及蚀刻 说明说明 :以光学微影形成图案并以干蚀刻在SiN形成介质孔。蚀刻结束后去除光阻。SiN表 12.5.3 50病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程使用双镶嵌之铜金属化制程步骤制程步骤:再沈积SiO2 说明说明:于ILD氧化层上沈积PECVD氧化层。SiO2表 12.5.4 51病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生

22、长繁殖，引起不同程度的病理生理过程使用双镶嵌之铜金属化制程步骤制程步骤:内联机图案化 说明说明:微影以光阻形成SiO2沟渠图案。前面的介质孔开口位于沟渠中。光阻表 12.5.5 52病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程使用双镶嵌之铜金属化制程步骤制程步骤:内联机用之沟渠蚀刻及介质孔用之孔洞 说明说明:于ILD氧化层中干蚀刻至SiN层上成沟渠。继续蚀刻经由SiN开口形成介质孔。表 12.5.6 53病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程使用双镶嵌之铜金

23、属化制程步骤制程步骤:沈积阻障层金属 说明说明:以离子化PVD在沟渠及介质孔的底部及侧壁沈积Ta或TaN扩散层。阻障层金属表 12.5.7 54病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程使用双镶嵌之铜金属化制程步骤制程步骤:沈积Cu晶种层 说明说明:沈积连续的Cu晶种层，此层必须是均匀的且无针孔。Cu晶种层表 12.5.8 55病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程使用双镶嵌之铜金属化制程步骤制程步骤:沈积Cu充填 说明说明:以电化学沈积(ECD)方法沈积Cu，以充填介质孔开口及沟渠。铜层表 12.5.9 56病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程使用双镶嵌之铜金属化制程步骤制程步骤:以CMP方式去除多出的Cu 说明说明:以化学机械平坦化(CMP)方式去除多出的Cu，这使表面平坦，作为后续制程之准备。此平坦表面是在介电质中有金属镶嵌，以形成电性回路。铜 表 12.5.10