半导体制程概论萧宏chapter.ppt

1、Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,1,Chapter 11金屬化製程,Hong Xiao,Ph.Dwww2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,2,目標,解釋金屬化製成的元件應用列出最常使用的三種材料列出三種金屬沉積的方法說明濺鍍製程解釋在金屬沉積製程中高真空需求的目的,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,

2、3,金屬化製程,定義應用物理氣相沉積 vs.化學氣相沉積方法真空金屬製程未來的趨勢,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,4,金屬化製程,處理在晶圓表面沉積金屬薄膜.,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,5,應用,金屬連線匣極和電極微-鏡面(micro-mirror)融合(Fuse),Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,6,CMOS:標準金屬化製程,P型晶圓,N型井區,P型井區

3、,STI,n+,n+,USG,p+,p+,金屬1,AlCu,BPSG,W,P型磊晶層,TiSi2,TiN,ARC,Ti/TiN,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,7,應用:局部連線,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,8,應用:局部連線,取決於金屬化製程最常使用的是銅鋁合金8090年代的技術：鎢栓塞鈦,焊接層TiN,阻擋層,附著與抗金屬反射鍍膜層未來使用的是 銅!,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/Hong

4、Xiao/Book.htm,9,以銅當導體連線的IC剖面圖,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,n+,STI,p+,p+,USG,W,PSG,W,FSG,n+,M1,Cu,CoSi2,Ta 或 TaN,Ti/TiN,SiN,Cu,Cu,FSG,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,10,IC 生產廠房,蝕刻與光阻剝除,化學機械研磨,晶圓製造流程圖,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,11,應用:匣極和電極,Al 匣極和電極多晶矽代替鋁作為匣極的

5、材料金屬矽化物WSi2TiSi2CoSi2,MoSi2,TaSi2,Pt,Au,在DRAM電容器作為電極,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,12,問與答,我們是否能夠根據圖形尺寸的縮小情況以同比例縮減金屬線的比例?,R=r l/wh.當我們根據元件圖形尺寸將所有維度縮小(長度 l,寬度 w,和 高度 h)，電阻會增加 電路的速度變慢，消耗更多的功率,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,13,應用:微鏡面(Micro-mirror),數位投影顯示鋁

6、鈦合金小晶粒，高反射力“家庭劇院”,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,14,應用:融合(Fuse),可程式化唯讀記憶體(PROM)高電流產生的熱，會熔化鋁線形成斷路多晶矽被用來作為融合的材料(fuse materials),Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,15,導電薄膜,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,16,導電薄膜,多晶矽金屬矽化物 鋁合金鈦 氮化鈦鎢 銅 鉭,H

7、ong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,17,多晶矽,匣極與局部連線的材料1970年代中期取代鋁而成為匣極材料具高溫穩定性離子佈植後的高溫退火所必要的鋁匣極無法用在自我對準源極/汲極佈植重度摻雜以LPCVD製程在高溫爐沉積,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,18,金屬矽化物,金屬矽化物的電阻率比多晶矽低很多TiSi2,WSi2,和 CoSi2 都是常用的選擇,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/B

8、ook.htm,19,金屬矽化物,TiSi2 和 CoSi2 氬濺射從晶圓表面移除原生氧化層Ti 或 Co 沉積退火製程形成金屬矽化合物Ti 或 Co 不與SiO2反應,金屬矽化物在矽和Ti 或Co接觸之處形成濕式蝕刻製程剝除未反應的Ti 或 Co選擇性的再次退火以增加傳導率,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,20,自我對準的鈦金屬矽化物的形成步驟,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,21,矽化鎢,加熱 CVD 製程 WF6 當作鎢的源材料SiH

9、4 作為矽的源材料.多晶金屬矽化物堆疊結構在多重步驟製程中進行蝕刻用氟化學品蝕刻WSix 用氯化學品蝕刻多晶矽光阻剝除快速加熱退火增加矽化鎢的晶粒尺寸和導電率,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,22,鋁,最常當作連線使用的金屬第四佳的電傳導金屬銀1.6 mWcm銅1.7 mWcm金 2.2 mWcm鋁2.65 mWcm1970年代中期以前曾被用作匣極的材料,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,23,鋁矽合金,在源極/汲極的區域中，鋁金屬線可以直接

10、與矽接觸矽會熔解入鋁中，鋁會擴散進入矽中尖突現象鋁的尖突物穿透摻雜接面使源極/汲極與基片形成短路通常1%就可以讓矽在鋁中達到飽和在攝氏400 C 時的加熱退火會在矽鋁介面形成矽鋁合金,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,24,p+,p+,尖突現象,N型矽,鋁,鋁,鋁,SiO2,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,25,電遷移,鋁是一種多晶態材料包含很多小型的單晶態晶粒電流通過鋁線電子不斷的轟擊晶粒較小的晶粒就會開始移動這個效應就是電遷移(elect

11、romigration),Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,26,電遷移,電遷移會造成金屬線的撕裂高電流密度在剩下的金屬線加劇電子轟擊引發更進一步的鋁晶粒遷移最後造成金屬線的崩潰影響IC晶片的可信賴度鋁金屬線：老房子將有火災的危害,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,27,電遷移的預防,當少量百分比的銅與鋁形成合金，鋁的電遷移抵抗性會被顯著的改善銅扮演了鋁晶粒間的黏著劑角色，並且防止他們因電子轟擊而遷移 Al-Si-Cu 合金被使用Al-Cu(0

12、.5%)是最常使用的連線金屬,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,28,鋁合金沉積,物理氣相沉積(PVD)濺鍍蒸鍍加熱蒸鍍法電子束蒸鍍法化學氣相沉積乙烷氫化鋁 DMAH,Al(CH3)2H加熱製程,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,29,PVD vs.CVD,CVD:表面上的化學反應PVD:表面上沒有化學反應CVD:較好的階梯覆蓋(50%to 100%)和間隙填充能力PVD:較差的階梯覆蓋(15%)和間隙填充能力,Hong Xiao,Ph.D.,

13、www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,30,PVD vs.CVD,PVD:品質較高，純度較好的沉積薄膜,導電性較高，容易沉積合金CVD:薄膜中總是有不純度，導電性低，合金很難沉積,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,31,鋁的一些基本資料,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,32,鈦,應用 形成金屬矽化物鈦的氮化作用潤濕層焊接層,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/Hon

14、gXiao/Book.htm,33,焊接層,降低接觸窗的電阻.鈦可以清除氧原子防止形成高電阻率的WO4 和 Al2O3.使用TiN 作為擴散阻擋層避免鎢擴散進入基片,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,34,鈦,PSG,TiSi,2,n,+,鈦,鎢,鋁-銅,鈦的應用,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,35,鈦的基本資料,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,36,氮化鈦,阻擋

15、層防止鎢擴散附著層幫助鎢附著在氧化矽的表面抗反射層鍍膜(ARC)降低反射率和改進金屬圖案化微影技術的解析度防止小丘狀突出物和控制電遷移可以藉由PVD 和 CVD製程來沉積,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,37,氮化鈦 PVD,阻擋層,附著層以及抗反射層鍍膜(ARC)反應式濺鍍，利用氬氣和氮氣以Ti為靶材在電漿中N2 分子被分解氮自由基(N)N和 Ti在鈦表面形成 TiN層氬離子會將TiN分子轟擊離開靶材，沉積在晶圓表面,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Boo

16、k.htm,38,氮化鈦CVD,阻擋層和附著層比PVD 有較佳的階梯覆蓋金屬有機製程(MOCVD)350 CTDMAT,TiN(CH3)24無法用在金屬層間的接觸窗孔上,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,39,氮化鈦,鈦 PVD鈦的氮化反應表面有NH3(ammonia)快速加熱退火製程,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,40,鎢,填充接觸窗或金屬層間的接觸窗孔形成栓塞接觸窗孔會變的更小與更窄PVD Al 合金:不好的階梯覆蓋和空洞CVD W:有非常好的階梯覆蓋和間隙填充能力比PVD Al 合金(2.9 到 3.3 mWcm)有較高的電阻性:8.0 to 12 mWcm 僅使用在局部連線和不同層間的栓塞,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,41,接觸窗金屬化製程的演化,AlSiCu,SiO,2,SiO,2,洞,AlSiCu,SiO,2,Si,AlCu,W,大開口的接