1、半導體製造技術 第 12 章 金屬化,DE LIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved,授課老師：王宣勝,課程大綱,解釋金屬化之專有名詞。 能列出和說明晶圓製造中6種金屬。討論每一種金屬的特性要求及應用。 能解釋銅金屬化在晶圓製造中之優點。描述銅製程之挑戰性。 敘述濺鍍之優點及缺點。 敘述濺鍍之物理特性及討論不同的濺鍍工具及應用。 敘述金屬CVD之優點及應用。 解釋銅電鍍之原理。 描述雙鑲嵌式製程之流程。,多層金屬化,圖 12.1,傳統及鑲嵌式金屬化,圖 12.2,銅金屬化,(
2、Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering),照片 12.1,導電性 附著性 沈積 圖案及平坦化 可靠度 腐蝕性 應力,成功的金屬材料之需求,矽及選用晶圓製造的金屬 (在20),表 12.1,晶圓製造中所用的金屬及合金,鋁 鋁銅合金 銅 阻障層金屬 矽化金屬 金屬插塞,鋁內連線,圖 12.3,金屬-5接合墊 (鋁),上層氮化物,金屬-4,介質孔-4,金屬-3,金屬-4是位於其他介質孔、層間介電質和金屬層之上,歐姆接觸結構,圖 12.4,接面尖峰,圖 12.5,金屬線上小丘狀,圖 12.6,銅內連線的優點,1. 降低電阻率 鋁內連線
3、電阻率為2.65-cm， 而銅可降至1.678-cm 2. 降低功率消耗 緊密的構裝密度 4. 優越的抗電遷移性 5. 較少的製程步驟 減少20至30%之製程步驟。,和0.25m元件比較，內連線延遲之變化,表 12.2,比較Al與Cu之性質製程,表 12.3,在半導體內連線使用銅的 3個主要的挑戰難題,銅很快速地擴散進入氧化物及矽中 銅若使用一般的電漿蝕刻技術，將不易形成圖案化 在低溫下 (200)，銅在空氣中易氧化且無法形成一保護層使氧化作用停止,銅內連線結構之阻障層,圖 12.7,佳的阻障層金屬的重要性質,使用阻障層金屬使得在燒結溫度下 (意謂材料受熱處理) 兩介面材料 (如鎢與矽) 的擴
4、散率是低的。 高電子導電率，具有低的歐姆接觸電阻。 半導體和此金屬間有好的附著性。 佳的抗電遷移率。 厚度薄及在高溫下穩定度高。 抗腐蝕及氧化。,銅阻障層金屬的特殊需求,1. 防止銅擴散。 2. 低的薄膜電阻率。 3. 介電材料和銅之間有好的附著性。 適合於CMP。 金屬層在高深寬比間隙中必須是連續的且有佳的階梯覆蓋能力。 最小的厚度可使銅佔有最大的橫切面面積。,Ta作為銅阻障層金屬,圖 12.8,在矽接觸的耐高溫矽化金屬,圖 12.9,所選用矽化金屬的某些性質,表 12.4,多晶矽上的多晶矽化金屬,圖 12.10,圖 12.11,TiSi2的回火相,晶片之自我對準矽化金屬結構,STI,圖 1
5、2.12,自我對準矽化金屬 (Salicide) 之形成,圖 12.13,多重金屬層的鎢插塞,圖 12.14,毯覆性鋁蝕刻,SiO2,(Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering),照片 12.2,插塞,多晶矽閘極,金屬沈積系統_物理氣相沈積,蒸鍍 濺鍍 金屬CVD 銅電鍍,簡易的蒸鍍機,圖 12.15,濺鍍的優點,易於沈積且可維持合金成分。 可沈積高溫及耐高溫金屬。 可控制沈積均勻的薄膜於大晶圓上(200nm或更大)。 多重反應室群集機台可於金屬沈積前清除晶圓表面污染物及原生氧化物 (稱之為現場濺鍍蝕刻 (in situ spu
6、tter etch)。,DC二極濺鍍系統之簡單平行板,抽出,e-,e-,e-,圖 12.16,從濺鍍靶材表面移出金屬原子,圖 12.17,濺鍍產額和下列條件有關係,1.轟擊離子的入射角。 靶材的組成及幾何形狀 轟擊離子的質量。 轟擊離子的能量。,落於基板上之不同物質,圖 12.18,3種濺鍍系統形式,RF(射頻) 磁控 IMP(離子化金屬電漿),RF濺鍍系統,圖 12.19,磁控濺鍍,圖 12.20,準直管濺鍍,圖 12.21,離子化金屬電漿,基板,電極,電極,鈦靶材,圖 12.22,感應線圈,金屬CVD,鎢CVD 有優異的階梯覆蓋及填溝 抗電遷移性佳 銅CVD 優越的均勻性,用Ti/TiN阻
7、障層金屬之毯覆性鎢CVD,圖 12.23,PVD群集機台,照片 12.3,(Photo courtesy of Applied Materials, Inc.),銅電鍍,圖 12.24,銅電鍍機台,(Photo courtesy of Novellus),照片 12.4,照片 12.4,毯覆性鋁蝕刻,(Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering),插塞,多晶矽閘極,使用雙鑲嵌之銅金屬化,表 12.5.1,使用雙鑲嵌之銅金屬化,表 12.5.2,使用雙鑲嵌之銅金屬化,表 12.5.3,使用雙鑲嵌之銅金屬化,表 12.5.4,使用雙鑲嵌之銅金屬化,表 12.5.5,使用雙鑲嵌之銅金屬化,表 12.5.6,使用雙鑲嵌之銅金屬化,表 12.5.7,使用雙鑲嵌之銅金屬化,表 12.5.8,使用雙鑲嵌之銅金屬化,表 12.5.9,使用雙鑲嵌之銅金屬化,製程步驟 : 以CMP方式去除多出的Cu,說明 : 以化學機械平坦化 (CMP)方式去除多出的Cu，這使表面平坦，作為後續製程之準備。此平坦表面是在介電質中有金屬鑲嵌，以形成電性迴路。,銅,表 12.5.10,
