集成電路的制造可以分成兩個(gè)主要的部分。首先，在晶圓內(nèi)及其表面制造出有源器件和無(wú)源器件，這稱(chēng)為前端工藝線或者FEOL。在后端工藝線(BEOL)中,需要在芯片上用金屬系統(tǒng)來(lái)連接各個(gè)器件和不同的層。在這部分中，金屬化工藝所要用到的材料、規(guī)范和工藝,將隨著金屬在芯片制造中的應(yīng)用而逐步闡明。用在CVD、蒸發(fā)、離子注入和濺射系統(tǒng)的真空泵將在這一章的結(jié)束時(shí)進(jìn)行介紹。

金屬薄膜在半導(dǎo)體技術(shù)中最普遍的用途就是表面連線。把各個(gè)元件連接到一起的材料工藝、連線過(guò)程一般稱(chēng)為金屬化工藝(metallizationproeess)。根據(jù)器件的復(fù)雜度和性能要求電路可能要求單層金屬或多層金屬系統(tǒng)?？赡苁褂娩X合金或銅作為導(dǎo)電的金屬。

多層系統(tǒng)導(dǎo)致阻擋層和黏附層，插塞和中間層的開(kāi)發(fā)。下文將探討單層金屬和多層金屬系統(tǒng)基礎(chǔ)。

一、 單層金屬

第一層金屬化工藝流程

• 良好的電流負(fù)載能力(電流密度)
• 與晶圓表面(通常是SiO₂)具有的良好的黏合性
• 易于圖形化的工藝
• 與品圓材料具有良好的電接觸性能
• 高純度
• 耐腐蝕
• 具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性
• 能夠淀積出均勻而且沒(méi)有“空洞”和“小丘”的薄膜
• 均勻的顆粒結(jié)構(gòu)

二、多層金屬設(shè)計(jì)

增加芯片密度能夠在晶圓表面放置更多的元件，這實(shí)際上就減少了表面連線的可用空間。這個(gè)兩難的問(wèn)題的解決方法就是利用有2~4層獨(dú)立金屬層的多層金屬結(jié)構(gòu)。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)預(yù)測(cè)到2020年金屬層將達(dá)到15~20層。

多層金屬結(jié)構(gòu)

兩層金屬結(jié)構(gòu)

上圖顯示了一個(gè)典型的兩層金屬的堆疊結(jié)構(gòu)。這種堆疊結(jié)構(gòu)的底部是在硅表面形成的硅化物陽(yáng)擋層(barrier layer),這有利于降低硅表面和上層之間的阻抗。如果鋁作為導(dǎo)電材料的話.阻擋層也能夠阻止鋁和硅形成合金。接下來(lái)是一層介質(zhì)材料層，可稱(chēng)之為金屬間介質(zhì)層(Intermetallic Dielectrie Layer,IDL或IMD),它在兩個(gè)金屬層之間提供電絕緣作用。這種介質(zhì)材料可能是淀積的氧化物、氮化硅或聚酰亞胺膜。這一層需要進(jìn)行光刻以形成新的連接孔，這些連接孔稱(chēng)為通孔(via)或塞(plug),它們下到第一層金屬。在這些連接孔中淀積導(dǎo)電的材料，就可以形成導(dǎo)電的塞。緊接著，第一層的金屬層被淀積并進(jìn)行圖形化工藝。在以后的工藝中，重復(fù)IMD/塞/金屬淀積或圖形化工藝，就形成了多層金屬系統(tǒng)。多層金屬系統(tǒng)更昂貴，良品率較低，同時(shí)需要盡量使品圓表面和中間層平坦化，才能制造出比較好的載流導(dǎo)線。

三、導(dǎo)體材料

1）鋁

在超大規(guī)模集成電路(VISI)開(kāi)發(fā)之前主要的金屬化工藝材料就是純鋁。通常來(lái)講，了解為什么選擇鋁以及鋁的局限性，對(duì)于理解金屬化工藝系統(tǒng)是很有教育意義的。從導(dǎo)電性能的角度來(lái)看，鋁的導(dǎo)電性要比銅和金差一些。如果用銅直接替代鋁，銅與硅的接觸電阻很高，并且如果銅進(jìn)人器件區(qū)將引起器件性能的災(zāi)難。而鋁則不具有上面所說(shuō)的問(wèn)題，因而成為一種較好的選擇。它有足夠低的電阻率(2.7μ·em),有很好的過(guò)電流密度。它對(duì)二氧化硅有優(yōu)異的黏附性,有很高的純度,天然地和硅有很低的接觸電阻，并且用傳統(tǒng)的光刻工藝易于進(jìn)行圖形化工藝。鋁原料可被提純到5~6個(gè)"9”的結(jié)度(99.999%~99.9999%)。

2）鋁硅合金

晶圓表面的淺結(jié)是最初使用純鋁導(dǎo)線所遇到的問(wèn)題之一。前面已經(jīng)講到，為了降低并穩(wěn)定鋁-硅界面的接觸電阻，需要對(duì)品片進(jìn)行烘焙，以形成所謂的“歐姆接觸”，這時(shí)電壓-電流的特征行為服從歐姆定律。遺憾的是，鋁和硅能夠相互溶解，而且在577℃時(shí)它們存在一個(gè)共熔點(diǎn)。共熔現(xiàn)象是指當(dāng)兩種材料相互接觸并進(jìn)行加熱時(shí)，它們的熔點(diǎn)將比各自的熔點(diǎn)低得多。共熔現(xiàn)象發(fā)生在一個(gè)溫度范圍之內(nèi)，鋁硅共熔大概在450℃左右就已經(jīng)開(kāi)始了，而這個(gè)溫度是形成良好的電接觸所必需的。問(wèn)題的關(guān)鍵在于所形成的合金能夠溶解進(jìn)硅品片內(nèi)，如果其表面有淺結(jié)點(diǎn)，則合金區(qū)域?qū)U(kuò)散并進(jìn)人這些結(jié)點(diǎn)，從而造成這些結(jié)點(diǎn)的短路。

解決這個(gè)問(wèn)題有兩種辦法:其一，在硅和鋁之間增加一個(gè)金屬阻擋層來(lái)隔離鋁和硅，以此來(lái)避免共熔現(xiàn)象的發(fā)生:其二，采用含硅1%-2%的鋁合金，在接觸加熱的處理中，鋁合金更傾向于和合金內(nèi)部的硅發(fā)生作用，而不是晶圓中的硅。當(dāng)然了，這個(gè)方法并不是百分之百有效，晶圓和鋁之間的合金化反應(yīng)還是經(jīng)常會(huì)發(fā)生的。

3） 鋁銅合金

鋁還會(huì)遭遇所謂電遷徙(electromigration)的問(wèn)題。在VLSV/ULSI電路中，鋁導(dǎo)線比較細(xì)長(zhǎng)，而且經(jīng)常承載很高的電流，這時(shí)就會(huì)發(fā)生問(wèn)題。電流在導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，并且電場(chǎng)強(qiáng)度從輸入端到輸出端逐漸減弱。同時(shí)，電流所產(chǎn)生的熱也產(chǎn)生一個(gè)熱梯度。在它們的作用下，導(dǎo)線內(nèi)部的鋁就會(huì)運(yùn)動(dòng)并沿著兩個(gè)梯度的方向擴(kuò)散。這樣最直接的影響就是使導(dǎo)線變細(xì)。在極端的情況下，導(dǎo)線甚至?xí)耆珨嚅_(kāi)。遺憾的是，這種情況經(jīng)常在集成電路的使用后發(fā)生，從而引起芯片失效。不過(guò)，通過(guò)淀積含銅0.5%-4%的鋁銅合金或含鐵0.1%-0.59的鋁鈦合金，就可以防止或減輕電遷移現(xiàn)象。在實(shí)際的應(yīng)用中，人們經(jīng)常使用既含有銅又含有硅的鋁合金以防止合金化問(wèn)題和電遷移問(wèn)題。在早期鋁合金是通過(guò)蒸發(fā)系統(tǒng)中放置分離的進(jìn)行淀積的。這樣導(dǎo)致增加了積設(shè)備和工藝的復(fù)雜性。同時(shí)，與純鋁相比，它也增加了薄膜的電阻率。增加的幅度因合金成分和熱處理工藝的不同而異，通常多達(dá)25%-30%。

4）阻擋層金屬

使用阻擋層是一種防止硅和鋁金屬化共品合金的方法。使用鈦鎢(TW)和氮化鈦(TN)兩層。在鋁或鋁合金淀積之前，將TW濺射淀積在品圓開(kāi)口的接觸孔上。在鋁刻蝕步中，淀積在場(chǎng)氧化層上的TW被從表面去除。有時(shí),在TW淀積之前,在暴露的硅上面形成第一層硅化鉑。可以用所有的淀積技術(shù)將氨化鈦層放置在品圓表面，如蒸發(fā)、射和CVD。還能用在氙氣或氨氣中，在600℃形成鈦的熱氨化層。CVD氮化鈦層有良好的臺(tái)階覆蓋，并能填充亞微米接觸孔。在TN膜下要求有一層鈦，目的是和硅襯底之間提供一個(gè)高的電導(dǎo)率中間層。用銅金屬化時(shí)，阻擋層也是關(guān)鍵。在硅中的銅會(huì)毀壞器件的性能。使用的阻擋層金屬是TN、鉭(Ta)和氨化鉭(TaN)。

5）難熔金屬和難熔金屬硅化物

雖然通過(guò)采用鋁合金和阻擋層金屬技術(shù)，電遷徙和共晶合金的限制已被緩解，接觸電阻的問(wèn)題或許成為鋁金屬化的最終限制。金屬系統(tǒng)的全面效果由電阻率、長(zhǎng)度、度和全部金屬和晶圓互連的總的接觸電阻所決定。在簡(jiǎn)單的鋁系統(tǒng)中，有兩個(gè)接觸:硅-鋁互連和鋁互連-壓焊線。在具有多層金屬層、阻擋層、填塞、多晶硅柵和導(dǎo)體及其他中間導(dǎo)電層的ULSI電路中，連接的數(shù)目變得非常大。全部單個(gè)接觸電阻加起來(lái)可能主導(dǎo)金屬系統(tǒng)的導(dǎo)電性。接觸電阻受材料、村底摻雜和接觸孔尺寸的影響。接觸孔尺寸越小，電阻越高。遺憾的是，ULSI芯片有更小的接觸孔，并且大的門(mén)陣列芯片表面可能占接觸面積的80%。這兩項(xiàng)使接觸電阻在 VISI金屬系統(tǒng)性能中成為決定因素。鋁硅接觸電阻及合金問(wèn)題已導(dǎo)致開(kāi)始為VISI金屬化研究其他金屬。與鋁相比，多晶硅有更低的接觸電阻，并用在MOS電路中。這是傳奇式的硅柵(silicongale)MOS 器件結(jié)構(gòu)。

難熔金屬和它們的硅化物提供了低的接觸電阻。有意義的難熔金屬是鈦(T)、(W)鉭(T)和鉬(Mo)。當(dāng)它們?cè)诠璞砻姹缓辖饡r(shí)，分別形成它們的硅化物(TiSi、WSi、TaSi,和MoSi,)。在20世紀(jì)50年代第一次提出將難熔金屬用于金屬化，但是由于缺乏可靠的淀積方法，使用它們的技術(shù)一直停滯。隨著IPCVD和濺射工藝的開(kāi)發(fā)，情況才發(fā)生了改變。所有的現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)，尤其是MOS電路，使用難熔金屬或它們的硅化物作為中間層(塞)、阻擋層或?qū)щ妼?。更低的電阻率和更低的接觸電阻使它們作為導(dǎo)電膜更具吸引力，但是雜質(zhì)和淀積均勻性問(wèn)題使它們作為MOS柵電極的吸引力降低。對(duì)此問(wèn)題的解決方法是多晶硅化物和硅化物柵結(jié)構(gòu)，它是在硅柵上做一個(gè)硅化物的結(jié)合。

接觸電阻對(duì)電阻電容(RC)時(shí)間常數(shù)的影響

四、金屬塞

難熔金屬最廣泛的用途是在多層金屬結(jié)構(gòu)中的通孔填充。這個(gè)工藝稱(chēng)為塞填充(plughlling)，填充的通孔稱(chēng)為塞?；蛘哂眠x擇性鎢淀積通過(guò)表面的孔到第一層金屬，或者用CVD技術(shù)填充這種通孔。在可用的難熔金屬中，大量使用鎢是作為鋁硅的阻擋層、MOS柵互連和作為通孔塞。鎢依靠其良好的臺(tái)階覆蓋、降低電阻、抗電遷移和耐高溫而受到青睞。然而，它與硅的接觸電阻和黏附性的挑戰(zhàn)需要額外的層，形成典型的鎢堆疊(slack)。在鎢淀積之前，Ti首先(接觸)被淀積，其次是TiN(增加黏附性)。此外，通孔可用鎢填充，反蝕刻或用化學(xué)機(jī)械處理(CMP)工藝進(jìn)行平坦化。

 鎢塞工藝步驟

歷史悠久的金屬淀積工藝是真空蒸發(fā)。蒸發(fā)發(fā)生在一個(gè)不銹鋼罩中，晶圓固定在由電子流加熱蒸發(fā)的金屬源上方的旋轉(zhuǎn)的圓頂上。隨著鋁合金和深寬比的通孔覆蓋臺(tái)階的引人，這種方法遇到了限制。不同的金屬以不同的速率蒸發(fā)，它使得淀積均勻的合金很困難。更大直徑晶圓的到來(lái)限制了蒸發(fā)系統(tǒng)的生產(chǎn)速率。濺射淀積(濺射)解決了這些問(wèn)題，并成為標(biāo)準(zhǔn)的金屬淀積方法。

真空蒸發(fā)器

濺射工藝的原理

典型的濺射工藝設(shè)備

臺(tái)階覆蓋度也可以通過(guò)濺射來(lái)改良，蒸發(fā)來(lái)自于點(diǎn)源,而濺射來(lái)自于平面源。因?yàn)榻饘傥⒘Ｊ菑陌胁母鱾€(gè)點(diǎn)濺射出來(lái)的，所以在到達(dá)晶圓承載臺(tái)時(shí)，它們可以從各個(gè)角度覆蓋晶圓表面。臺(tái)階覆蓋度還可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)晶圓和加熱晶圓得到進(jìn)一步的優(yōu)化。

階梯覆蓋

濺射形成的薄膜對(duì)晶圓表面的黏附性也比蒸發(fā)工藝提高很多。首先，轟擊出的原子在到達(dá)晶圓表面時(shí)的能量越高，所形成薄膜的黏附性就越強(qiáng)。其次，反應(yīng)室中的等離子環(huán)境有“清潔”晶圓表面的作用,從而增強(qiáng)了黏附性。因此在淀積薄膜之前,將晶圓承載臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，對(duì)晶圓表面濺射一小段時(shí)間,可以提高黏附性和表面潔凈度。在這種模式下,濺射系統(tǒng)所起的作用與離子刻蝕(濺射刻蝕，反濺射)設(shè)備一樣。

對(duì)臺(tái)階覆蓋和在深孔中形成均勻的薄膜的另一種技術(shù)是準(zhǔn)直射束。原子以多種角度從靶中出來(lái),并趨于在底部填充之前填充孔的側(cè)壁。準(zhǔn)直器是一個(gè)物理的阻擋板它類(lèi)似于具有圓的或六邊孔的蜂巢。為了電中和,將其接地。以任何角度到達(dá)準(zhǔn)直器的原子在其側(cè)壁被俘獲，而垂直角度的原子繼續(xù)到晶圓的表面。準(zhǔn)直器的厚度是原子束準(zhǔn)直度的一個(gè)因子。

具有準(zhǔn)直器的濺射

在高深高比的孔中,均勻的薄膜覆蓋總是采用準(zhǔn)直系統(tǒng)。通常地，濺射靶材料是原子研究發(fā)現(xiàn),將金屬引入等離子體中可產(chǎn)生離子。在晶圓上還施加了偏置,吸引金屬離子直接進(jìn)入孔中,提供更均勻的覆蓋。這種工藝稱(chēng)為離子化淀積或I-PVD。而且在孔的底部有二次濺射(resputler)發(fā)生。首先，一層金屬放下,正在進(jìn)入的離子有效地濺射這底層,依次淀積在孔的側(cè)壁上。

有4種濺射方法可用:二極管(直流)、二極管[射頻(RDI)]、三極管和磁控管。磁控管濺射(magnetron)已經(jīng)作為優(yōu)選系統(tǒng)而呈現(xiàn)。這種系統(tǒng)將磁極安裝在靶的背面和四周。磁鐵俘獲和限制電子到靶前的運(yùn)動(dòng)及到晶圓的運(yùn)動(dòng)。此外，它將可以被濺射的靶室材料的量最小化，并防止對(duì)淀積膜的污染。磁控系統(tǒng)對(duì)于提高淀積速率更加有效。因此，磁控系統(tǒng)產(chǎn)生的離子流(轟擊靶的氧離子密度)要比傳統(tǒng)的二極濺射系統(tǒng)好。其次，反應(yīng)室的壓力將更低，這有利于淀積膜的清潔。另外，磁控濺射系統(tǒng)使得靶的溫度降低，有利于鋁和鋁合金的濺射。

磁控濺射系統(tǒng)

實(shí)際生產(chǎn)用的濺射系統(tǒng)各種各樣。有的反應(yīng)室是批次晶圓生產(chǎn)系統(tǒng)，,有的則是單品圓生產(chǎn)系統(tǒng)。大部分生產(chǎn)設(shè)備都有裝料自鎖能力。裝料口就像接待室，它是局部真空的，可以保證反應(yīng)室維持真空。它的優(yōu)點(diǎn)就是提供了更高的生產(chǎn)率。生產(chǎn)設(shè)備通常可以支持一種或兩種靶材，而且隨著機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)的設(shè)備會(huì)有更大的擴(kuò)展性。

濺射工藝還能完成晶圓表面的腐蝕和清潔。將晶圓承載臺(tái)放在一個(gè)不同的場(chǎng)壓下，使得氬原子直接轟擊晶圓,來(lái)完成刻蝕和清潔。這種工藝程序稱(chēng)為濺射刻蝕(spuuter etch)反濺射(reverse sputter)或離子銑(ionmiing)。它可清除品圓上的污染物和一層薄的膜清除污染物提高了已暴露晶圓區(qū)域與薄膜之間的電連接,同時(shí)提高了薄膜對(duì)晶圓表面其他部分的黏度。

1）雙大馬士革銅工藝

在20世紀(jì)90年代，IBM公司引入銅基的大馬士革工藝而取代鋁的金屬化。銅金屬化引人關(guān)注點(diǎn)之一是銅可以用來(lái)作為金屬塞材料，產(chǎn)生將金屬間電阻降到最小的單一金屬系統(tǒng)。

隨著集成電路達(dá)到幾百兆赫茲的速度，鋁金屬化遇到了性能的阻礙。信號(hào)必須以足夠快的速度通過(guò)金屬系統(tǒng)，才能防止程序延誤。同樣，更大的芯片需要更長(zhǎng)、更細(xì)的金屬導(dǎo)線.這就使金屬連線系統(tǒng)的電阻變得更大。隨著接觸孔數(shù)量增加，鋁和硅表面之間的小接觸電陽(yáng)加起來(lái)變得非常重大。雖然鋁提供了可以工作的電阻，它也很難淀積在具有(10:1)深寬比的通孔中。直到今天，人們已經(jīng)使用了阻擋層金屬方案、堆疊金屬和難熔金屬來(lái)降低鋁金屬系統(tǒng)的電阻。由于0.25uΩ·cm(或更小)的器件的需要，人們不得不嘗試著減少附加電阻這使人們的興趣重新轉(zhuǎn)向了銅這種導(dǎo)體。與鋁3.1uΩ·cm的電阻率相比，銅的電阻率僅為1.7μΩ·cm，導(dǎo)電性比鋁優(yōu)良。同時(shí),銅本身就具有抗電遷移的能力,而且能夠在低溫下進(jìn)行淀積。銅也能夠作為塞材料使用。銅能夠通過(guò)CVD、濺射、化學(xué)鍍、電鍍等方法進(jìn)行淀積。除了缺乏學(xué)習(xí)曲線，其缺點(diǎn)包括刻蝕問(wèn)題、銅還易刮傷、腐蝕，還需要隔離金屬來(lái)防止銅進(jìn)入硅片之中。盡管如此，IBM還有緊隨其后的Motorola，都在1998年就宣布了基于銅技術(shù)的器件制造的可行性?，F(xiàn)在所有的電路都采用銅金屬化和低k介質(zhì)技術(shù)開(kāi)發(fā)。主要益處是提高性能和減少要求的金屬層數(shù)。

2） 低k介質(zhì)材料

在雙大馬士革技術(shù)中提過(guò)，隔開(kāi)兩層金屬的介質(zhì)是二氧化硅。然而，對(duì)于高性能電路這種材料存在一個(gè)問(wèn)題。金屬電阻(R)和電容(C)的聯(lián)合作用就會(huì)使集成電路的信號(hào)變慢這稱(chēng)為系統(tǒng)的RC常量。對(duì)電容因素的一個(gè)主要貢獻(xiàn)是用于隔離金屬層間的材料的介電常數(shù)，該層稱(chēng)為中間金屬介質(zhì)(IMD)。

二氧化硅的介電常數(shù)(k)是3.9左右。根據(jù)SA的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖，成功的電路要求k值低至1.5~2.0的范圍內(nèi)。除了介電特性外,IMD還必須有一些化學(xué)和機(jī)械的特性，包括熱穩(wěn)定性(隨后的金屬工藝能帶著原來(lái)的膜通過(guò)一些高達(dá)450℃的熱過(guò)程)、好的刻蝕選擇性、無(wú)針孔、對(duì)耐受芯片應(yīng)力足夠的適應(yīng)性和與其他工藝的可匹配性。

人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些低k介質(zhì)材料以滿(mǎn)足USI電路的需要。下圖中列出了這些材料及其介電常數(shù)，主要分類(lèi)是氧化硅基材料、有機(jī)基和它們的變種。基于PAE[poly(alylene)thers]或 HOSP( hydrido-organic siloxane polymers)的有機(jī)材料具有可以旋轉(zhuǎn)涂敷( spin-on)的優(yōu)勢(shì)。旋轉(zhuǎn)涂敷工藝提供了優(yōu)異的均勻性和平坦性，并比CVD工藝成本更低。

低k材料(源自:Future Fab International)

3） 雙大馬士革銅工藝

從鋁到銅金屬化的轉(zhuǎn)變不是一個(gè)簡(jiǎn)單的材料轉(zhuǎn)換。銅有其自身的一系列問(wèn)題和挑戰(zhàn)。它不容易用濕法和干法技術(shù)刻蝕。銅與硅有大的接觸電阻。它容易擴(kuò)散穿透二氧化硅，并進(jìn)入硅結(jié)構(gòu)。在那里，它能使器件性能退化并產(chǎn)生結(jié)漏電問(wèn)題。銅不能很好地黏附在二氧化硅表面，會(huì)引起結(jié)構(gòu)問(wèn)題。這些挑戰(zhàn)導(dǎo)致了獨(dú)特的、高產(chǎn)能的工藝開(kāi)發(fā),該工藝專(zhuān)門(mén)用于克服銅的問(wèn)題它的特點(diǎn)包括光刻工藝、低k陽(yáng)擋層或襯墊層工藝的開(kāi)發(fā)、銅電鍍和化學(xué)機(jī)械拋光工藝。大馬士革工藝的概念很簡(jiǎn)單。首先用光刻工藝在介質(zhì)層表面形成一個(gè)溝槽，并在溝槽里淀積所要的金屬。一般情況下,淀積的金屬會(huì)溢出溝槽這就需要CMP工藝來(lái)再次使表面平坦化。因?yàn)闇喜蹖挾认薅私饘賹挾龋@個(gè)工藝可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的尺寸控制。它消除了接下來(lái)金屬淀積的典型金屬刻蝕工藝所帶來(lái)的差異。

雙大馬士革(鑲嵌)工藝

實(shí)際上，該工藝更復(fù)雜一點(diǎn)。在一個(gè)多層金屬系統(tǒng)中，必須有一層直接將第一層金屬與器件電連接。必須由第二次圖形化工藝來(lái)產(chǎn)生攜帶第二層金屬的溝槽，因此稱(chēng)為雙大馬士革(dual-damaseene)。下圖描述了一個(gè)典型的連接兩層金屬的雙大馬士革工藝。它從已經(jīng)有一層金屬的地方開(kāi)始。淀積一層低k介質(zhì)并用CMP工藝對(duì)其平坦化。用圖形化工藝在介質(zhì)層中產(chǎn)生一個(gè)通孔。第二次圖形化工藝導(dǎo)致介質(zhì)降低，并在表面開(kāi)出更寬的“臺(tái)階”(stepback)槽。這個(gè)圖形留下開(kāi)口更寬的頂層盆，它可以允許足夠的寬度為銅條攜帶要求的電路等級(jí)。這個(gè)順序提供了填充通孔和形成銅金屬導(dǎo)線一步完成的優(yōu)勢(shì)?；谶@一基本的雙大馬士革工藝有一些變形方式，每種都是一個(gè)窄的通孔和為金屬填充而備的較寬的溝槽開(kāi)口來(lái)結(jié)尾。

4）阻擋層或襯墊層

前面已提及銅容易擴(kuò)散穿過(guò)二氧化硅層，并且如果它進(jìn)入電路的器件則可能引起電性能問(wèn)題。通過(guò)在通孔底部和側(cè)面淀積一個(gè)襯墊層(iner)可以解決這個(gè)問(wèn)題。使用的典型材料是鉭(Ta),厚度為50~300。依據(jù)材料,或者使用濺射,或者使用CVD淀積來(lái)產(chǎn)生阻擋層或襯墊層。這些通孔深寬比非常大，在整個(gè)通孔和溝槽內(nèi)表面產(chǎn)生均勻薄膜的工藝是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

具有氨化鉭阻擋層的單層雙大馬士革結(jié)構(gòu)(源自:Wolf and Tauber ,Microchip Manufacturing ,lattice Press.)

5） 種籽層

可以使用濺射或CVD淀積來(lái)淀積銅，但是電化學(xué)鍍膜(ECP)已成為優(yōu)選的淀積方法用ECP生產(chǎn)均勻的、無(wú)空洞的銅薄膜要求在通孔/溝槽洞里有一個(gè)起始的“種籽"(seed)層使用PVD技術(shù)淀積在通孔中的銅種籽(300~2000?)。正像在阻擋層或襯墊層淀積中一樣，在一個(gè)非常大的深寬比通孔內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)均勻?qū)邮莻€(gè)挑戰(zhàn)。

六、電化學(xué)鍍膜

由于電鍍的低溫和低成本，它已成為產(chǎn)生銅淀積的方法“。如果用于低k介質(zhì)層，必須是低溫。種籽層必須均勻地覆蓋在通孔/溝槽的底部和側(cè)面，以確保銅金屬導(dǎo)線的物理和電特性均勻。銅的電鍍已成為印制電路板(PCB)主流工藝幾十年了。將晶圓懸在含硫酸銅(CuSO₄)的池中，并和陰極(負(fù)電極)相連。通過(guò)施加電流，池中的成分分離。銅鍍?cè)诰A外面，同時(shí)氫氣在陽(yáng)極釋放。一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是晶圓整片的均勻性。晶圓表面上的材料和結(jié)構(gòu)變化會(huì)降低電流分布的均勻性，其結(jié)果可能是不均勻的生長(zhǎng)和密度。另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是在開(kāi)口邊緣處形成斜角?？赏ㄟ^(guò)淀積后分別的清洗步驟解決這一問(wèn)題。晶圓表面的不均勻區(qū)域在CMP工藝中將有不同的去除速率。生產(chǎn)級(jí)的ECP系統(tǒng)將包括晶圓預(yù)清洗、電鍍部分、斜角去除和退火。

銅電鍍示意圖

七、化學(xué)機(jī)械工藝

在半導(dǎo)體工藝中,有幾步使用化學(xué)機(jī)械工藝(CMP)。前期文章講述了它在硅晶圓原材料平坦化的應(yīng)用。后期文章回講述它在工藝中平坦化品圓表面,其目的是為了提高光刻精度。銅后CMP是一個(gè)類(lèi)似的工藝,但是有不同的表面要被平整和平坦化。在銅電鍍過(guò)程中,通孔或溝槽孔過(guò)度填充以確保溝槽被完全填充。在進(jìn)行下一步工藝之前，必須通過(guò)去除溢出的銅將表面重新平整。

八、CVD 金屬淀積

2） CVD 難熔金屬淀積

由于低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此為金屬淀積提供了第三種選擇LPCVD有許多優(yōu)點(diǎn)，它不但不需要造價(jià)昂貴、維護(hù)復(fù)雜的高真空泵，而且提供了共形臺(tái)階覆蓋和高的生產(chǎn)效率。最常用CVD淀積的難熔金屬膜是鎢(W)。

鎢可以用于各種元件構(gòu)造,包括接觸阻擋層、MOS管的柵極互連和通孔塞。通孔填充是形成有效的多金屬層系統(tǒng)的關(guān)鍵。絕緣層比較厚，而通孔相對(duì)細(xì)一些(深寬比大)。這兩個(gè)因素有助于較難的連續(xù)金屬淀積通孔，而且不會(huì)使通孔中的金屬變細(xì)。選擇CVD淀積鎢塞來(lái)填充整個(gè)通孔，而且為接下來(lái)的導(dǎo)電金屬層淀積提供了平整表面。鎢作為阻擋層金屬，它的淀積可以通過(guò)硅與六氟化鎢(WF₆)氣體進(jìn)行反應(yīng)。其反應(yīng)式為

2WF₆ +3Si-2W+3SiF₄

鎢還可以通過(guò) W。有選擇地反應(yīng)淀積在鋁和其他材料上,該工藝稱(chēng)為襯底縮減(substratereduetion)。鎢可以通過(guò)WF₆和H₂生成，其反應(yīng)式為

WF₆+3H₂→W+6HF

以上所有淀積都是在LPCVD系統(tǒng)中進(jìn)行，溫度大約為300℃。這可以與鋁金屬化工藝相兼容。

硅化鎢和硅化鈦層的工藝反應(yīng)式為

WF₆+2SiH₄→WSi₂ + 6HF + H₂

TiCl₄+2SiH₄→TiSi₂+4HCI +2H₂

九、金屬薄的用途

1）MOS 柵極和電容器極板

大多數(shù)電器元件都依靠電流的流動(dòng)來(lái)工作。然而電容器是一個(gè)例外。它(見(jiàn)第16章)由兩個(gè)被絕緣電介質(zhì)層隔開(kāi)的電極板導(dǎo)電層所構(gòu)成。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，上部的電極板是導(dǎo)體金屬系統(tǒng)的一部分。關(guān)于電容器參數(shù)關(guān)系的討論已在前面有說(shuō)明MOS晶體管就是一個(gè)電容器的結(jié)構(gòu)，其上部電極稱(chēng)為柵極(ate),它在MOS集成電路中起著非常關(guān)鍵的作用。

2） 背面金屬化

為了封裝，有時(shí)金屬層被濺射到品圓的整個(gè)背面上。這層金屬作為熱的互連層或特定封裝工藝的壓焊層。可使用金屬包括金、鉑、和銅，后面將論述。

十、 真空系統(tǒng)

在微芯片制造最初，僅有兩種基于真空的工藝:鋁蒸發(fā)和背金。如今，大約有四分之一的工藝是在真空或低壓中進(jìn)行的，其中包括光刻曝光、剝離和刻蝕系統(tǒng)、離子注人、濺射工藝、LPCVD、PECVD和快速熱處理。此外，對(duì)于帶真空鎖的裝卸臺(tái)和傳輸臺(tái)，自動(dòng)處理要求在低壓環(huán)境中進(jìn)行。真空反應(yīng)室提供沒(méi)有污染氣體的工藝條件。在薄膜淀積工藝中，真空環(huán)境增加了淀積的原子和分子的平均自由程，這提高了薄膜淀積的均勻度和可控性。LPCVD是在低至10托(中真空)的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行的，然而其他工藝是在低至10-托(高真空到超高真空)的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行的。中真空可以通過(guò)機(jī)械真空泵來(lái)獲得。而在高真空工藝反向室，這些機(jī)械泵可以用在起初的減壓階段。在這種情況下，將其稱(chēng)為粗抽泵(roughingpump)。另外，我們還可以將機(jī)械真空泵用在高真空泵系統(tǒng)的出氣端，幫助氣體分子從泵轉(zhuǎn)移到廢氣排放系統(tǒng)。

在粗真空建立之后，高真空泵接替完成最終的真空的建立。這種高真空泵可以是油擴(kuò)散泵(ail diusion)、低溫泵(eryegenie)、離子泵(ion)或渦輪分子泵(tutomeleeular)。無(wú)論是哪種泵，它們都是由特殊材料制成的，不會(huì)向系統(tǒng)氣(outgs)，破壞真空。典型材料有304號(hào)不銹鋼、無(wú)氧高導(dǎo)性銅(OFHC),科瓦鐵鎳鉆合金鈦、硅酸玻璃、陶瓷、鎢、金和某些低揮發(fā)的人造橡膠。有些泵用于抽取腐蝕性和毒性氣體或反應(yīng)后的副產(chǎn)品，它們必須對(duì)內(nèi)擘無(wú)腐蝕。而且，我們?cè)诰S護(hù)這些泵時(shí)要十分小心在選擇和使用泵時(shí)有許多原則，它們是:

• 要求的真空度范圍

• 所抽氣體(像氫氣一樣輕的氣體很難被抽出)。抽氣速率

• 總的抽氣量

• 處理沖擊負(fù)載的能力(周期性外溢氣體

• 抽取腐蝕性氣體的能力

• 服務(wù)和維護(hù)要求

• 停機(jī)時(shí)間

• 成本

系統(tǒng)壓力是指在封閉環(huán)境中，氣體原子或分子在分子間力作用下，撞擊反應(yīng)室壁從而產(chǎn)生的壓力。系統(tǒng)壓力減小要求反應(yīng)室內(nèi)的氣體移出。這基本上是由泵來(lái)完成的。首先，在泵內(nèi)部，建立較低的壓力，允許工藝反應(yīng)室的氣體流人泵，從而抽走整個(gè)系統(tǒng)的氣體。在非常低的氣壓下，反應(yīng)室內(nèi)物質(zhì)很少，繼續(xù)減壓就要求系統(tǒng)既無(wú)泄漏.也不能繼續(xù)充進(jìn)氣體升壓。某些系統(tǒng)采用收集器來(lái)阻止泵室中的材料回流(backstreaming)到反應(yīng)室。

1） 干機(jī)械泵

替代早期油泵的是干機(jī)械泵(drymechanicalpump)。由于油吸附尾氣，油基泵是一個(gè)污染源。有毒氣體引出了特別的安全問(wèn)題。干泵是基于羅茨式泵“roots"設(shè)計(jì)的。這些螺旋式或凸輪式(claw)設(shè)計(jì),機(jī)械地“攫取”(grab)氣體，從而在高真空泵接替之前降低反應(yīng)室的壓力。

2）渦輪分子高真空泵

渦輪分子泵在設(shè)計(jì)上與噴氣式飛機(jī)渦輪引擎相似。帶有開(kāi)口的一系列葉片，在中心軸上高速旋轉(zhuǎn)(24000~36000rpm)。來(lái)自反應(yīng)室的氣體遇到第一個(gè)葉片的，然后與旋轉(zhuǎn)中的葉片碰撞獲得動(dòng)量。動(dòng)量的方向是向下指向下一個(gè)葉片的，相同的情況重復(fù)發(fā)生。這個(gè)循環(huán)的結(jié)果使氣體從反應(yīng)室排出。這個(gè)動(dòng)量轉(zhuǎn)移的作用與油擴(kuò)散泵抽氣原理一樣。渦輪分子泵的主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有油的回流，無(wú)須再填充油，其他優(yōu)點(diǎn)是高可靠性且可使壓力降至高真空范圍。它的缺點(diǎn)是相比油擴(kuò)散泵和低溫泵抽氣速率較低，而且由于高速旋轉(zhuǎn)而容易產(chǎn)生振動(dòng)和磨損。渦輪泵的附帶泵是拖曳式(dragype)泵。氣體分子被轉(zhuǎn)筒或轉(zhuǎn)盤(pán)彈出，而不是動(dòng)葉片或靜葉片的作用結(jié)果。

渦輪分子泵的原理

這些組合(combination)泵可以在高氣壓下排氣。用于腐蝕性氣體工藝的渦輪泵要求在轉(zhuǎn)子和定子有涂層和/或給泵加熱，阻止氣體形成能夠淀積在泵部件的固態(tài)顆粒。

參考文獻(xiàn)：

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