半导体制程概论萧宏.ppt
Hong Xiao,Ph.D.,1,Chapter 11金屬化製程,Hong Xiao,Ph.D.,Hong Xiao,Ph.D.,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.,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.,4,金屬化製程,處理在晶圓表面沉積金屬薄膜.,Hong Xiao,Ph.D.,5,應用,金屬連線匣極和電極微-鏡面(micro-mirror)融合(Fuse),Hong Xiao,Ph.D.,6,CMOS:標準金屬化製程,P型晶圓,N型井區,P型井區,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.,7,應用:局部連線,Hong Xiao,Ph.D.,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.,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.,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.,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.,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.,13,應用:微鏡面(Micro-mirror),數位投影顯示鋁鈦合金小晶粒，高反射力“家庭劇院”,Hong Xiao,Ph.D.,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.,15,導電薄膜,Hong Xiao,Ph.D.,16,導電薄膜,多晶矽金屬矽化物 鋁合金鈦 氮化鈦鎢 銅 鉭,Hong Xiao,Ph.D.,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.,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.,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.,20,自我對準的鈦金屬矽化物的形成步驟,Hong Xiao,Ph.D.,21,矽化鎢,加熱 CVD 製程 WF6 當作鎢的源材料SiH4 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.,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.,23,鋁矽合金,在源極/汲極的區域中，鋁金屬線可以直接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.,24,p+,p+,尖突現象,N型矽,鋁,鋁,鋁,SiO2,Hong Xiao,Ph.D.,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(electromigration),Hong Xiao,Ph.D.,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.,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(0.5%)是最常使用的連線金屬,Hong Xiao,Ph.D.,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.,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.,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.,31,鋁的一些基本資料,Hong Xiao,Ph.D.,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.,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.,34,鈦,PSG,TiSi,2,n,+,鈦,鎢,鋁-銅,鈦的應用,Hong Xiao,Ph.D.,35,鈦的基本資料,Hong Xiao,Ph.D.,36,氮化鈦,阻擋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.,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.,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.,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.,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.,41,接觸窗金屬化製程的演化,AlSiCu,SiO,2,SiO,2,洞,AlSiCu,SiO,2,Si,AlCu,W,大開口的接觸窗，PVD金屬可填入,小開口的接觸窗，使用PVD填入金屬的情形,使用CVD鎢填入小開口的接觸窗,Si,Si,Hong Xiao,Ph.D.,42,鎢 CVD,WF6 為鎢的源材料和SiH4 反應形成核層(nucleation layer)和H2 反應形成巨量的鎢沉積需要一層氮化鈦來幫助鎢的黏附,Hong Xiao,Ph.D.,43,鎢的基本資料,Hong Xiao,Ph.D.,44,鎢,TiN/Ti,二氧化矽,W 栓塞和 TiN/Ti 阻擋層/附著層,Hong Xiao,Ph.D.,45,銅,較低的電阻性(1.7 mWcm),較低的功率消耗和較高的IC速度高電遷移抵抗力較佳的可靠度銅對二氧化矽的附著能力極差擴散速率很高，重度金屬污染非常難進行乾式蝕刻銅鹵素化合物的揮發性很低,Hong Xiao,Ph.D.,46,銅沉積,PVD 的種晶層(seed layer)ECP 或 CVD 巨量層(bulk layer)沉積 退火製程通常是緊跟著巨量銅(bulk copper)沉積後進行 增加晶粒的尺寸 改進導電率,Hong Xiao,Ph.D.,47,銅的基本資料,Hong Xiao,Ph.D.,48,鉭,阻擋層防止銅擴散濺鍍沉積,Hong Xiao,Ph.D.,49,坦的基本資料,Hong Xiao,Ph.D.,50,鈷,主要被用來形成矽化鈷(CoSi2).利用濺鍍製程來沉積,Hong Xiao,Ph.D.,51,矽化鈷,矽化鈦晶粒尺寸:0.2 mm不能用在0.18 mm 的匣極矽化鈷可以使用金屬矽化合物製程,Hong Xiao,Ph.D.,52,矽化鈷:製程,預沉積，氬離子濺鍍清潔鈷濺渡沉積第一次退火,600 CCo+Si CoSi剝除未反應的鈷第二次退火,700 CCo+Si CoSi2,Hong Xiao,Ph.D.,53,鈷的基本資料,Hong Xiao,Ph.D.,54,金屬薄膜的特性,Hong Xiao,Ph.D.,55,金屬薄膜的測量,厚度.應力 反射係數 薄片電阻,Hong Xiao,Ph.D.,56,金屬薄膜厚度,場發射鎗電子顯微鏡(TEM)和 掃描式電子顯微鏡(SEM)輪廓量測器4點探針X-光螢光分析儀(X-ray Fluorescence Spectrometer,XRF)XRF聲學法,Hong Xiao,Ph.D.,57,TEM 和 SEM,截面(cross section)TEM:非常薄的薄膜,數百 SEM:薄膜可以到數千,Hong Xiao,Ph.D.,58,問與答,為什麼SEM的相片通常是黑白的?,二次電子發射時的強度拍下來的提供強烈或微弱的訊號照片:明亮點與晦暗點，黑白影像SEM 照片經過影像分析後可再以人工著色,Hong Xiao,Ph.D.,59,輪廓量測器,較厚的薄膜(1000),量測之前需要先執行圖案化蝕刻製程探針可以檢測並紀錄細微的表面輪廓,Hong Xiao,Ph.D.,60,基片,薄膜,平台,探針,薄膜厚度,輪廓訊號,輪廓量測器示意圖,Hong Xiao,Ph.D.,61,四點探針,測量薄片電阻假設金屬薄膜的電阻率在整個晶圓表面皆為常數，因此四點探針就常被用來監測金屬薄膜的厚度,Hong Xiao,Ph.D.,62,聲學量測法,新技術量測不透明的薄膜厚度非接觸性製程，可以量測晶圓產品,Hong Xiao,Ph.D.,63,聲學量測法,雷射光射在薄膜表面光感測器量測其反射強度0.1 ps 雷射脈衝將表面加熱5 到 10 C 熱膨脹會引起聲波當聲波傳遞到不同材料界面時，一部分的聲波將會從界面反射回來當回波到達薄膜表面將會引起反射係數的改變.,Hong Xiao,Ph.D.,64,聲波法測量,聲波會在薄膜中來回產稱回音薄膜厚度可以藉由下列方程式計算d=Vs Dt/2Vs 是音速，Dt 兩個峰值之間時間的改變量回波的衰退率和薄膜密度有關.可以用來測量多層結構中每一種薄膜的厚度,Hong Xiao,Ph.D.,65,聲學法測量金屬薄膜示意圖,幫浦雷射,反射到光感測器,反射率改變量,時間(psec),10,20,30,40,50,60,70,80,90,第一反射峰值,第二反射峰值,第三反射峰值,TEOS SiO2,TiN,t,t,d=vst/2,聲波反射,Hong Xiao,Ph.D.,66,TiN 厚度,d=Vst/2在TiN 薄膜中的聲速Vs=95/ps t 25.8 psd=1225,Hong Xiao,Ph.D.,67,均勻性,厚度的均勻性(事實上指的是非均勻性)、薄片電阻和反射係數在製程的發展和製程的維護上都被例行的檢視.可已經由晶圓上的多點位置測量計算出來,Hong Xiao,Ph.D.,68,均勻性量測的取點分佈,5點,9點,49點,Hong Xiao,Ph.D.,69,均勻性,49點量測，標準差3s 的非均勻性，是一般製程的普及定義清楚的定義非均勻性相同一組量測資料，不同的定義會引起不同的非均勻性結果5點和9點量測，通常使用在製程監視和控制上,Hong Xiao,Ph.D.,70,應力,薄膜和基片之間材料的不匹配收縮式應力與 伸張型應力高收縮式應力會引起小丘狀突出物不同層間的金屬線短路高伸張型應力會引起薄膜或是連線破裂或脫落(peels),Hong Xiao,Ph.D.,71,收縮式應力引起小丘狀突出物,基片,力,力,金屬,Hong Xiao,Ph.D.,72,基片,力,力,金屬,伸張型應力產生破裂,Hong Xiao,Ph.D.,73,有幫助的應力,鋁比矽有較高的熱膨脹速率aAl=23.610-6 K-1,aSi=2.610-6 K-1室溫下晶圓會形成伸張型應力當後續晶圓的加熱製程時，張力會變小金屬退火(450 C)介電質沉積(400 C),Hong Xiao,Ph.D.,74,問與答,為什麼氧化矽薄膜在室溫時，收縮式應力較受偏愛?,氧化矽的熱膨脹係數(aSiO2=0.510-6 K-1)比矽基片低假如在室溫時具有伸張型應力，則當晶圓在後續製程被加熱時，張力會變的更大,Hong Xiao,Ph.D.,75,反射係數,反射係數的改變即表示製程狀況的走勢薄膜的晶粒呎吋與表面平滑度的函數晶粒尺寸較大，則反射係數較低愈平滑的金屬表面就會有較高的反射係數簡單、快速和非破壞性的步驟經常在半導體廠中的金屬化區間內進行,Hong Xiao,Ph.D.,76,薄片電阻,4點探針廣泛的用在測定薄膜的厚度假設晶圓上的電阻率都相同比輪廓量測器、SEM 和聲學量測法要快且便宜,Hong Xiao,Ph.D.,77,薄片電阻,薄片電阻(Rs)可以表示成Rs=r/t假如薄膜的厚度t 已知，藉著測量Rs，可以計算出薄膜的電阻率(r)；或是電阻率已知，可以計算出薄膜厚度,Hong Xiao,Ph.D.,78,金屬線的電阻,L,A,R=電阻,r=導體的電阻率L=長度,A=線的橫截面面積,r,I,Hong Xiao,Ph.D.,79,t,w,I,L,通入電流I並測量電壓V,電阻:R=V/I=rL/(wt)對一個方型的薄片,L=w,所以 R=r/t=Rs Rs的單位:每平方歐姆(W/r),薄片電阻的觀念,Hong Xiao,Ph.D.,80,薄片電阻,Hong Xiao,Ph.D.,81,薄片電阻,I,I,你確定兩者的電阻是相同的嗎？,Rs=r/t,Rs=r/t,Hong Xiao,Ph.D.,82,薄片電阻 問與答,兩條傳導線都是用相同的金屬薄膜及相同的長寬比例來圖案化，他們的線電阻是否一樣?,答：是.,Hong Xiao,Ph.D.,83,四點探針工具,最常使用來量測薄片電阻的工具電流施加在兩個探針之間，在另外兩個探針之間量測電壓A假如P1和P4 間的電流是 I,Rs=4.53 V/I,V is 是P2 和 P3 間的電壓假如P1和P3 間的電流是 I,Rs=5.75 V/I,V is 是P2 和 P4 間的電壓兩個方程式是在假設薄膜區域無線大時推導的，晶圓上的薄膜量測卻不正確,Hong Xiao,Ph.D.,84,S1,S2,S3,P1,P2,P3,P4,V,I,薄膜,基片,四點探針測量,Hong Xiao,Ph.D.,85,金屬化學氣相沉積法,廣泛的用來沉積金屬非常好的階梯覆蓋性和間隙填充能力可以填充微小的接觸窗孔以使金屬連接在一起.較差的品質，電阻率比PVD金屬薄膜高.主要用來作為栓塞和局部連線不用在長距離連線中,Hong Xiao,Ph.D.,86,金屬 CVD 反應室,製程反應室,抽智幫浦,加熱平台,晶圓,製程氣體,射頻功率,Hong Xiao,Ph.D.,87,金屬 CVD,鎢,矽化鎢,鈦,和 氮化鈦加熱製程，外在的熱量提供化學反應所需的自由能射頻系統主要是用在製程反應室的電漿清潔過程,Hong Xiao,Ph.D.,88,金屬化學氣相沉積法製程的步驟,晶圓送進反應室活動(Slip)閥門關閉設定第二製程氣體的溫度與壓力所有製程氣體注入，開始沉積主要製程氣體停止注入，第二製程氣體繼續所有製程氣體停止注入以氮氣吹除淨化反應室活動(Slip)閥門開啟，機械手臂將晶圓取出,Hong Xiao,Ph.D.,89,金屬CVD反應室清潔步驟,反應室開始抽氣 設定淨化氣體的壓力與溫度射頻開啟，開始電漿清潔步驟射頻關閉，開始淨化反應室設定第二製程氣體的壓力和溫度主要製程氣體注入，開始沉積適應層(seasoning layer)主要製程氣體終止，第二製程氣體繼續終止所有製程氣體以氮淨化反應室反應室準備下一次的沉積,Hong Xiao,Ph.D.,90,面積=A,面積=B,面積=A,垂直的側壁,傾斜的側壁,A B,垂直與傾斜式的接觸窗口,Hong Xiao,Ph.D.,91,鎢 CVD 基本資訊,鎢的來源氣體:六氟化鎢(WF6)添加反應物:氫(H2)溫度:400-475 C 100%的階梯覆蓋性,Hong Xiao,Ph.D.,92,典型的鎢 CVD 製程,晶圓送至反應室設定壓力和氣體流量(H2,SiH4)成核反應開始發生(矽烷減少WF6)巨量沉積時改變壓力和氣體流量巨量沉積發生(H2 減少WF6)幫浦抽除反應室氣體並且開始吹除淨化晶圓送出反應室,Hong Xiao,Ph.D.,93,鎢 CVD 的化學反應,矽上的成核步驟(形成所謂的選擇性鎢)2 WF6+3 Si 2 W(s)+3 SiF4附著層上的成核步驟2 WF6+3 SiH4 2 W(s)+3 SiF4+6 H2巨量沉積WF6+3 H2 W(s)+6 HFWF6和水氣反應WF6+3 H2O WO3+6 HF,Hong Xiao,Ph.D.,94,鎢種晶層與巨量層,二氧化矽,Ti/TiN 阻擋層和附著層,金屬,鎢種晶層,鎢巨量層,Hong Xiao,Ph.D.,95,矽化鎢,CVD 和 RTPWF6 和 SiH4 作為 CVD 源氣體匣極蝕刻之後退火比矽化鈦的電阻率要高，所以普及性較低,Hong Xiao,Ph.D.,96,矽化鎢,當作匣極和局部連線矽源氣體:SiH4 和 SiH2Cl2(DCS)鎢源材料是 WF6 SiH4/WF6:低溫,400 C,DCS/WF6:溫度較高,575 C,Hong Xiao,Ph.D.,97,矽化鎢:CVD,300 to 400 CWF6+2 SiH4 WSi2+6 HF+H2製程窗口較寬，更成熟的製程500 to 600 C WF6+3.5 SiH2Cl2 WSi2+1.5 SiF4+7 HCl較佳的薄膜階梯覆蓋性更低的氟濃度,Hong Xiao,Ph.D.,98,矽烷為基礎的 Wsix製程,WF6+2 SiH4 WSi2(s)+6 HF+H2和鎢CVD 製程的成核步驟類似.主要的不同在於SiH4/WF6的流動速率比例比例低於 3:1,鎢沉積比例高於 10:1,矽化鎢沉積,Hong Xiao,Ph.D.,99,DCS為基礎的 Wsix製程,2 WF6+7 SiH2Cl2 2 WSi2+3 SiF4+14 HCl 需要較高的沉積溫度較高的沉積速率較佳的階梯覆蓋性氟濃度較低伸張型應力較少較少發生薄膜脫落或破裂,Hong Xiao,Ph.D.,100,鈦 CVD,高溫(600 C)CVD 鈦在鈦沉積時同時可以和矽反應形成 TiSi2TiCl4+2 H2 Ti+4 HClTi+Si TiSi2,Hong Xiao,Ph.D.,101,氮化鈦 CVD,作為鎢栓塞的阻擋層/附著層較佳的側壁階梯覆蓋性在 PVD Ti 和 TiN的薄層沉積後，一層CVD TiN(200)的薄層通常被加在接觸窗/金屬層間的接觸窗孔,Hong Xiao,Ph.D.,102,CVD 與PVD 沉積的 TiN 層,二氧化矽,Ti 層,金屬,PVD TiN 層,CVD TiN 層,Hong Xiao,Ph.D.,103,CVD TiN,無機化學:TiCl4 和 NH3 在攝氏 400到 700 C:6TiCl4+8 NH3 6 TiN+24 HCl+N2金屬有機CVD(MOCVD)在攝氏350 C 及 300 毫托:TiN(CH3)24 TiN+有機物,Hong Xiao,Ph.D.,104,CVD 鋁,研發來取代鎢栓塞二甲烷氫化鋁(DMAH),Al(CH3)2H約在攝氏350 C,DMAH 分解並沉積鋁Al(CH3)2H Al+揮發性有機物困難在需要1%Cu 來改進抗電遷移的能力,Hong Xiao,Ph.D.,105,鋁金屬化製程所使用的群集反應室,Hong Xiao,Ph.D.,106,鋁 CVD/PVD,Ti/TiN 阻擋層/附著層沉積CVD鋁薄膜有好的窗孔填充能力，鋁合金 PVD,TiN PVD不像鎢薄膜需要利用回蝕刻不是成熟的技術很難和銅金屬化製程競爭,Hong Xiao,Ph.D.,107,物理氣相沉積(PVD),Hong Xiao,Ph.D.,108,物理氣相沉積,固態材料氣態化(Vaporizing)加熱或濺射步驟在基片表面上凝結蒸氣金屬化製程中非常重要的角色,Hong Xiao,Ph.D.,109,PVD vs.CVD,PVD以物理作用為起點CVD以化學反應為起點,Hong Xiao,Ph.D.,110,PVD vs.CVD:來源,PVD固體材料CVD氣體或蒸氣,Hong Xiao,Ph.D.,111,CVD vs.PVD,加熱基板,源材料氣體,晶圓,沉積的薄膜,化學反應,電漿,靶材,Hong Xiao,Ph.D.,112,PVD 方法,蒸鍍濺鍍,Hong Xiao,Ph.D.,113,PVD 方法:蒸鍍,燈絲蒸鍍快閃熱平板(Flash hot plate)蒸鍍 電子束蒸鍍,Hong Xiao,Ph.D.,114,晶圓,鋁材,鋁蒸氣,高電流源,抽至幫浦,10-6 托,熱蒸鍍器,Hong Xiao,Ph.D.,115,晶圓,鋁材,鋁蒸氣,電源供應器,抽至幫浦,10-6 托,電子束,電子束蒸鍍示意圖,Hong Xiao,Ph.D.,116,PVD 方法:濺鍍,直流二極體射頻二極體磁控式,Hong Xiao,Ph.D.,117,濺鍍製程,靶材材料的原子會藉著撞擊離子的動量轉移而物理性的從表面被彈出,Ar+,Hong Xiao,Ph.D.,118,直流二極體濺鍍系統,靶材,氬氣電漿,晶圓夾盤,-V,晶圓,金屬薄膜,Hong Xiao,Ph.D.,119,磁控濺鍍系統示意圖,磁鐵,腐蝕環溝,靶材,高密度電漿,磁力線,Hong Xiao,Ph.D.,120,磁控濺鍍,PVD金屬化製程中最受歡迎的方法樹叢式(grove)的方式有較多的濺鍍晶圓有良好的薄膜均勻性,Hong Xiao,Ph.D.,121,PVD 反應室中遮蔽護罩裝置,靶材,遮蔽護罩,晶圓夾盤,晶圓,Hong Xiao,Ph.D.,122,氬氣的應用,濺鍍沉積濺射蝕刻在金屬沉積前預先清潔移除原生氧化層將洞口傾斜式的開口擴大以改善介電質間隙填充圖案蝕刻介電質來增強轟擊和損傷的效應,Hong Xiao,Ph.D.,123,氬氣的性質,惰性較重豐度 大氣成分中的 1%低成本,Hong Xiao,Ph.D.,124,氬的基本資料,Hong Xiao,Ph.D.,125,濺鍍純度較高的薄膜均勻性較好單晶圓,製程控制較佳較大的晶圓尺寸,蒸鍍不純度較高批量製程較便宜的工具,濺鍍 vs.蒸鍍,Hong Xiao,Ph.D.,126,PVD 真空的要求,真空反應室壁上的殘留氣體H2O,水和鋁反應形成Al2O3影響局部連線的導電率唯一的方法是達到超真空(10-9 托)除去水蒸氣,Hong Xiao,Ph.D.,127,PVD 真空的需求,群集工具階段式真空裝載平台:10-6 托傳送室:10-7 到 10-8 托沉積反應室:10-9 托,Hong Xiao,Ph.D.,128,PVD 真空:幫浦,濕式幫浦(oil diffusion pump):大氣壓 到 10-3 托,從生產工廠分階段去除.機械增壓式幫浦(Rough pump):大氣壓 到 10-5 托渦輪幫浦(Turbo pump):10-2 到 10-7 托冷凝幫浦(Cryo pump):到 10-10托離子幫浦(Ion pump):到 10-11托,Hong Xiao,Ph.D.,129,金屬化整合製程所使用的群集式反應室,PVD 靶材,PVD,反應室,CVD,反應室,Hong Xiao,Ph.D.,130,接觸窗以及金屬層間的接觸窗口製程,除氣預洗鈦 PVD氮化鈦 PVD 氮化鈦 CVDN2-H2 電漿處理鎢 CVD,Hong Xiao,Ph.D.,131,鋁局部連線製程,除氣預洗鈦 PVD鋁-銅 PVD氮化鈦 PVD,Hong Xiao,Ph.D.,132,銅局部連線製程,除氣預洗鉭 PVD銅 種晶 PVD,Hong Xiao,Ph.D.,133,除氣,將晶圓加熱以驅除吸附在晶圓表面的氣體和水氣否則在沉積製程期間所吸附的氣體與濕氣會逐漸逸出，並引起嚴重的污染而導致所沉積的金屬薄膜帶有高電阻率,Hong Xiao,Ph.D.,134,預洗,移除原生氧化層降低接觸窗電阻用氬離子濺射射頻電漿,Hong Xiao,Ph.D.,135,氬離子濺射清洗過程,金屬,原生氧化層,Ar+,氬氣電漿,Hong Xiao,Ph.D.,136,鈦 PVD,降低接觸電阻低電阻率的較大的晶粒尺寸晶圓在沉積製程期間通常會加熱到350 C增加鈦附著原子的表面遷移率改進階梯覆蓋,Hong Xiao,Ph.D.,137,準直式(collimating)濺射系統,使用在Ti 和 TiN 沉積準直式系統允許金屬原子或分子主要以垂直方向移動可以到達較深且狹窄的接觸窗/金屬層間的接觸窗孔的底部改善底層階梯覆蓋,Hong Xiao,Ph.D.,138,準直式(collimating)濺射系統,電漿,準直器,磁鐵,靶材,薄膜,金屬層接觸窗口,Hong Xiao,Ph.D.,139,金屬電漿系統,Ti,TiN,Ta,和 TaN 沉積透過感應式耦合的機制，感應式耦合線圈中的射頻電流可以離子化金屬原子帶正電的金屬原子會以幾乎垂直的方向與帶負電荷的晶圓表面產生撞擊改善底部階梯覆蓋降低接觸電阻,Hong Xiao,Ph.D.,140,離子化金屬電漿示意圖,靶材,電漿,金屬層接觸窗孔,-V,射頻,感應線圈,Hong Xiao,Ph.D.,141,氮化鈦 PVD,反應式的濺鍍製程Ar 和 N2 N2 分子在電漿中分解氮自由基與鈦原子反應在靶材表面形成TiN薄層.軋離子從靶材表面濺射出TiN，並重新將其沉積在晶圓表面,Hong Xiao,Ph.D.,142,PSG,TiSi2,n,+,TiN,PVD,TiN 附著層,PVD&CVD,W,Al-Cu,TiN ARC,PVD,TiN的三種應用,Ti焊接層,PVD,Ti阻擋層,PVD,Hong Xiao,Ph.D.,143,鋁銅 PVD,超高真空狀態移除水氣，達到低的薄膜電阻率.階段性的真空會使用群集工具的幫浦組合乾式幫浦,渦輪幫浦和冷凝幫浦在一個冷凍捕捉器(frozen trap)中藉著冷凝氣體的殘餘物，冷凝幫浦可以幫助PVD反應室達到 10-10 托的壓力,Hong Xiao,Ph.D.,144,鋁銅 PVD,標準製程與熱鋁製程標準製程:鋁-銅合金覆蓋在鎢栓塞上，通常是在鈦和氮化鈦沉積之後才進行的沉積操作溫度大約在攝氏 200 C晶粒尺寸較小，容易蝕刻金屬退火可以形成尺寸較大的晶粒較低的電阻率較高 EMR,Hong Xiao,Ph.D.,145,鋁銅 PVD,熱鋁製程填充接觸窗和金屬層間的接觸窗口，減少接觸電阻數個製程步驟:Ti 沉積Al-Cu 種晶層在低於攝氏200C的溫度下沉積巨量 Al-Cu 層在較高的溫度(450C t到 500C)下沉積,Hong Xiao,Ph.D.,146,銅金屬化製程,Hong Xiao,Ph.D.,147,銅,比鋁的導電性較好較高的速度和較少的功率消耗較高的電遷移抵抗性銅在矽和矽玻璃中的擴散速率都很高,引起重金屬污染，需要擴散阻擋層乾式蝕刻應用困難，沒有簡單的氣體化合物,Hong Xiao,Ph.D.,148,銅,在CMP製程發展金屬鑲嵌製程Ta 和/或 TaN 作為阻擋層開始使用在IC生產工廠,Hong Xiao,Ph.D.,149,銅,預積清洗PVD 阻擋層(Ta 或 TaN,或兩者一起)PVD 銅種晶層電化學電鍍巨量銅層加熱退火改善導電率,Hong Xiao,Ph.D.,150,蝕刻溝槽和金屬層接觸窗孔,FSG,銅,FSG,銅,氮化矽,FSG,Hong Xiao,Ph.D.,151,PVD沉積Ta阻擋層與銅種晶層,Ta,FSG,銅,銅,銅,FSG,FSG,氮化矽,Hong Xiao,Ph.D.,152,FSG,銅,氮化矽,Ta,FSG,銅,銅,FSG,電化學電鍍銅,Hong Xiao,Ph.D.,153,FSG,銅,氮化矽,Ta,FSG,銅,銅,氮化矽,銅和鉭的CMP,製程 再以CVD沉積氮化矽密封層,Hong Xiao,Ph.D.,154,預洗步驟,氬濺射蝕刻用在預積的清洗步驟上經常被使用由於濺射可能產生銅污染的問題化學式預洗步驟H2 和 He 的電漿H 自由基和 CuO2 產生反應4 H+CuO2 Cu+2 H2O,Hong Xiao,Ph.D.,155,阻擋層,銅擴散進入矽基片中損害微電子元件需要阻擋層來防止Ti,TiN,Ta,TaN,W,WN,厚度數百 的Ta層 經常被使用在將來，Ta 和TaN 的組合會被採用來當阻擋層,Hong Xiao,Ph.D.,156,銅種晶層,PVD 銅層厚度約 500 到 2000 提供成核點以形成巨量銅的晶粒和薄膜.種晶層不存在不會有沉積產生 沉積的品質和均勻性很差,Hong Xiao,Ph.D.,157,銅種晶層,銅蒸氣很容易被離子化低壓時，平均自由路徑較長銅離子可以被拋入金屬層接觸窗孔和溝槽內達到好的階梯覆蓋和平滑的薄膜表面金屬層接觸窗孔非常窄時，PVD銅由於階梯覆蓋很差不再能夠達到種晶層的要求CVD 銅製程或許可以被應用,Hong Xiao,Ph.D.,158,電化學電鍍(ECP),老技術仍舊被許多工業應用，五金、玻璃、汽車以及電子業.IC工業最近也採用巨量銅沉積低溫製程可以和低-k介電質整合,Hong Xiao,Ph.D.,159,電化學電鍍(ECP),硫酸銅(CuSO4)溶液銅 陽極含銅種晶層的晶圓作為陰極固定電流Cu2+離子擴散並沉基在晶圓上,Hong Xiao,Ph.D.,160,銅電化學電鍍法,陽極,Cu,電流,硫酸銅溶液,塑膠製的晶片載具,Cu2+,Cu2+,Cu2+,Cu2+,晶圓,陰極，導電環,銅薄膜,Hong Xiao,Ph.D.,161,金屬層間接觸窗孔和溝槽填充,為了達到較好的間隙填充，大量的正向脈衝電流以極少量的反向脈衝電流會被交互使用.反向電流移除銅，減少洞口的懸凸物.類似 沉積/蝕刻/沉積 製程 添加物幫助減少在溝槽和金屬層間接觸窗孔角落上的沉積，以進一步改善填洞能力,Hong Xiao,Ph.D.,162,電鍍法的金屬層接觸窗孔填充,硫酸銅溶液,Cu2+,Cu2+,鉭,銅,USG,Cu2+,Cu2+,Cu2+,Cu2+,USG,Hong Xiao,Ph.D.,163,銅 CVD,雙-六氟乙酸-丙酮-銅,或 Cu(hfac)2Cu(hfac)2+H2 Cu+2 H(hfac)350 到 450 C 這個溫度對低介電常數材料的製程整合太高,Hong Xiao,Ph.D.,164,CuII(hfac)2的化學結構,Cu,O,O,O,O,C,C,C,C,CH,CF3,CF3,HC,F3C,F3C,Hong Xiao,Ph.D.,165,銅 CVD,有機金屬化合物雙-六氟乙酸-丙酮-銅-乙烯-三甲基矽烷Cu(hfac)(tmvs):C10H13CuF6O2Si2 Cu(hfac)(tmvs)Cu+Cu(hfac)2+2 tmvs加熱製程 175 C,1 到 3 托優良的階梯覆蓋性和間隙填充的能力,Hong Xiao,Ph.D.,166,銅 CVD,Cu(hfac)(vtms)製程比銅CVD製程更有保證.但是必須面段更有產量保證的銅ECP製程的強大競爭PVD/CVD 銅種晶層沉積,Hong Xiao,Ph.D.,167,概要,主要的應用在形成金屬局部連線CVD(W,TiN,Ti)和 PVD(Al-Cu,Ti,TiN)Al-Cu 合金仍然具主導地位Al-Cu PVD需要超高真空(UHV)W 最為栓塞Ti 作為焊接層TiN:阻擋層、附著層和抗反射鍍膜層未來的候選者:Cu 和 Ta/TaN,
