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金属填充塞
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金属填充塞
多层金属化产生了对数以十亿计的通孔用金属填充塞填充的需要，以便在两层金属之间形成电通路。接触填充薄膜也被用于连接硅片中硅器件和第一层金属化。目前被用于填充的最普通的金属是钨，因此填充薄膜常常被称为钨填充薄膜(见下图)。钨具有均匀填充高深宽比通孔的能力，因此被选作传统的填充材料。
铝虽然电阻率比钨低，但溅射的铝不能填充具有高深宽比的通孔，基于这个原因，铝被用作互连材料，钨被限于做填充材料。
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多层金属的钨填充塞
早期金属化技术
1. 厚氧化层淀积
2. 氧化层平坦化
3. 穿过氧化层刻蚀接触孔
4. 阻挡层金属淀积
5. 钨淀积
6. 钨平坦化
1. 穿过氧化层刻蚀接触孔
2. 铝淀积
3. 铝刻蚀
在接触孔 (通孔)
中的钨塞
氧化硅
(介质)
铝接触孔
氧化硅
(介质)
现代金属化技术
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IC 中的金属塞
SiO2
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阻挡层金属
阻挡层金属在半导体工艺被广泛使用，采用阻挡层可以消除诸如AlSi互溶和尖刺（如图所示）等问题
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通常用做阻挡层的金属是一类具有高熔点的金属，如钛Ti、钨W、钽Ta、钼MO、钴Co、铂Pt等
钛钨（TiW）和氮化钛（TiN）是两种常用的阻挡层材料
TiN引起在Al合金互连处理过程中的优良阻挡特性，被广泛应用于超大规模集成电路的制造中。
TiN的缺点是TiN和硅之间的接触电阻较大，为解决这个问题，在TiN淀积之前，通常先淀积一薄层钛（典型厚度为几十纳米或更少）。这层钛能和Si形成硅化物，从而降低接触电阻。
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具有 Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨 CVD
Ti
2 准直钛淀积覆
盖通孔底部
间隙填充介质
铝
通孔
PECVD SiO2
1. 层间介质通孔刻蚀
CVD TiN
等角淀积
TiN
4. CVD 钨淀积
钨通孔薄膜
5. 钨平坦化
钨填充
薄膜
钛充当了将钨限制在通孔中的粘合剂；氮化钛充当钨的扩散阻挡层
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铜连线的电阻R比铝连线小。铜的电阻率为1.7μΩ/cm，铝的电阻率为3.1μΩ/cm
铜连线的寄生电容比铝连线小
铜比铝有更低耐电迁移性能，能承受更高的温度
铜连线IC制造成本低
铜连线的双镶嵌(dual damascene ) IC工艺，比铝连线IC工艺减少了约20％一30％的工序，特别是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序
Why Cu needed
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铜互连所面临的问题
铜的污染问题
－Cu是半导体的深能级杂质，对半导体中的载流子具有强的陷阱效应
－Cu在SiO2介质中的扩散很快，从而使SiO2的介电性能严重退化
Cu引线的图形加工问题
Cu在空气和低温下（<200℃）易氧化，不能形成保护层来阻止自身的进一步被氧化和腐蚀
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解决方案
阻挡Cu扩散的扩散阻挡层
成功解决了Cu的污染问题
大马士革结构与CMP技术
相结合成功解决了Cu引
线图形的加工问题
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Cu的大马士革结构
单镶嵌 (Single damascene)工艺
双镶嵌 (Dual damascene)工艺
SD工艺的互连沟槽和接线柱的制造要经过各自的介质刻蚀、金属淀积和CMP工艺过程，其互连和接线柱的材料可以是不同的金属
DD工艺中，先在绝缘介质中刻蚀出互连和接线柱，然后一步完成金属的淀积和CMP过程，接线柱和上层金属是同一种材料
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Cu金属淀积技术
Cu薄膜的淀积方法有多种，包括：
物理气相淀积(PVD)
化学气相淀积(CVD)
电镀(electro—plating)
化学镀(electroless—plating)等
电镀是目前普遍使用的方法，它具有优秀的间隙填充能力，高的淀积速度，低的淀积温度，系统简单积淀积过程易于控制等特点，但电镀需要籽晶层，目前籽晶层由PVD或CVD制备。
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电镀是完成铜互连线的主要工艺。集成电路铜电镀工艺通常采用硫酸盐体系的电镀液
当电源加在铜（阳极）和硅片（阴极）之间时，溶液中产生电流并形成电场。
阳极的铜发生反应转化成铜离子和电子，同时阴极也发生反应，
阴极附近的铜离子与电子结合形成镀在硅片表面的铜，铜离子在外加电场的作用，由阳极向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度损耗。电镀的主要目的是在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。
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