4. 填充薄膜是指金属薄膜填充通孔以便在两层金属层 之间形成电连接。
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电子科大微电子工艺金属化[1]
n 现代集成电路对金属膜的要求 1. 电阻率低：能传导高电流密度 2. 粘附性好：能够粘附下层衬底实现很好的电连接，
半导体与金属连接时接触电阻低
3. 易于淀积：容易成膜 4. 易于图形化：对下层衬底有很高的选择比，易于平
n 集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率
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n 金属化工艺 物理气相淀积（PVD） 化学气相淀积（CVD）
n 金属淀积系统 1. 蒸发 2. 溅射 3. 金属CVD 4. 铜电镀
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7.2 金属化技术
n铝 n 铝的优点 1. 电阻率低（2.65μΩ•cm） 2. 与硅和二氧化硅的粘附性好 3. 与高掺杂的硅和多晶硅有很好的欧姆接触（合金
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•接触孔
•金属化连接 电子科大微电子工艺金属化[1]
n 芯片金属化技术术语
1. 互连指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用以 传输电信号
2. 接触是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表 面的连接
3. 通孔是穿过各层介质层从某一金属层到相邻的另一 金属层形成电通路的开口
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•电迁徙
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集成度不断提高、关键尺寸不断减 小、电路性能不断增强，在现代先进的IC制造技术 中采用了铜互连技术。在深亚微米技术中铜互连将 取代铝互连，一个重要的原因就是减小金属线的寄 生电阻和相邻金属线间的寄生电容以减小RC延迟 提高电路速度。
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n 结穿通现象在纯铝和硅的界面加热合金化过程中 （通常450～500℃） ，硅将开始溶解在铝中直到它 在铝中的浓度达到0.5％为止，硅在铝中的溶解消耗 硅且由于硅界面的情况不同，就在硅中形成空洞造 成PN穿通现象的发生。结穿通引起PN结短路。
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n 铜的缺点
1. 不能干法刻蚀铜 2. 铜在硅和二氧化硅中扩散很快，芯片中的铜杂质
沾
污使电路性能变坏
3. 抗腐蚀性能差，在低于200℃的空气中不断被氧化 n 克服铜缺点的措施
1. 采用大马士革工艺回避干法刻蚀铜 2. 用金属钨做第一层金属解决了电路底层器件的铜
电子科大微电子工艺金 属化
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2020/11/28
电子科大微电子工艺金属化[1]
7.1 引 言
金属化是芯片制造过程中在绝缘介质膜上淀积金属 膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和集成电 路的孔填充塞的过程。金属化是化学气相淀积、溅 射、光刻、刻蚀、化学机械平坦化等单项工艺的工 艺集成。
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n 先进的45nm工艺的集成电路中互连线最细线宽 45nm，而互连总长度达到5公里量级！
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n 电路中互连引入的延迟超过了器件延迟，互连成 了限制集成电路速度的主要因素。
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n 传统布线工艺 与双大马士革工艺的差别
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n 双大马士革铜金属化工艺流程
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n 铜的优点 1. 电阻率更低（1.678μΩ•cm）使相同线宽传导的
电流大 2. 降低动态功耗：由于RC延迟减小 3. 更高的集成度：由于线宽减小 4. 可靠性高：有良好的抗电迁徙性能 5. 更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少20％～
30％ 6. 易于淀积（铜CVD、电镀铜） 7. 铜的成本低
坦化
5. 可靠性高：延展性好、抗电迁徙能力强 6. 抗腐蚀性能好 7. 应力低：机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属线
断裂、空洞。
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n 集成电路金属化技术常用的金属种类 铝 铝铜合金 铜 阻挡层金属 硅化物 金属填充塞
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金属原子的消耗和堆积现象的发生，这种现象称
为电迁徙现象。
电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近
的金属线短路。
纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发
生电迁徙现象。
n 控制纯铝电迁徙现象的办法是采用铝－铜（0.5~4%） 合金替代纯铝
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n 电迁徙现象的SEM照片
n 阻挡层金属
阻挡层金属的作用
1. 提高欧姆接触的可靠性； 2. 消除浅结材料扩散或结尖刺； 3. 阻挡金属的扩散（如铜扩散） 阻挡层金属的基本特性
1. 有很好的阻挡扩散特性 2. 低电阻率具有很低的欧姆接触电阻 3. 与半导体和金属的粘附性好，接触良好 4. 抗电迁徙 5. 膜很薄且高温下稳定性好 6. 抗腐蚀和氧化
化温度450～500℃） 4. 易于淀积成膜 5. 易于光刻和刻蚀形成微引线图形
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6. 抗腐蚀性能好，因为铝表面总是有一层抗腐蚀性 好的氧化层（Al2O3）
7. 铝的成本低
n 铝的缺点 1. 纯铝与硅的合金化接触易产生PN结的穿通现象 2. 会出现电迁徙现象
沾污
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n 大马士革工艺 n 大马士革是叙利亚的一个城市名，早期大马士革的
一位艺术家发明了在金银首饰上镶嵌珠宝的工艺， 该工艺被命名为大马士革。集成电路的铜布线技术 和大马士革工艺相似。
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n 传统Al布线工艺与大马士革Cu工艺的差别
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n 解决结穿刺问题的方法：
1. 采用铝－硅（1~2%）合金或铝－硅（1~2%）－ 铜（2~4%）合金替代纯铝；
2. 引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。
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电迁徙现象当金属线流过大电流密度的电流时，
电子和金属原子的碰撞引起金属原子的移动导致