（材料物理与化学专业论文）vlsi工艺中铝互连与蚀刻的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 、 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 互私 日期：7 矿妙年月2 弘日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨垡导师签名： 乏抗7 日期：盯年f 月拶日 电子科技大学硕士学位论文 摘要 在v l s i 工艺中，a 1 互连具有举足轻重的地位，本文重点对a 1 薄膜的溅射 工艺及蚀刻工艺进行详细的研究。 磁控溅射中，溅射温度对溅射铝膜有很重要的影响，它关系到铝原子的能 量，原子在硅片表面的吸附，凝结等铝薄膜的形成过程。衬底温度决定原子的 表面迁移率，衬底温度是影响淀积的铝膜的均匀性和台阶覆盖能力的主要因 素。本文通过调节v a r i a n 3 2 9 0 的各项参数来控制衬底的温度，研究温度对铝膜 的影响，使溅射的铝膜能够符合半导体制造的要求。实验得出，在设定的加热 温度在1 5 0 。c 2 5 06 c 时，铝膜的质量较好。衬底温度越高，铝膜越不容易出现 铝凹陷，台阶覆盖性越好，但是薄膜的表面形貌会相应变差。 在蚀刻方面，以a p p l i e dm a t e r i a l s 的8 3 3 0 机台为基础，通过大量的实验， 研究了如何优化蚀刻速率、均匀性、选择比、化合物等主要蚀刻参数。得到可 优化蚀刻效果的诸如射频功率、压力、气体流量等主要工艺参数的设置方法及 理想条件漂移时的调整方法，给出优化选择比的蚀刻方案。 关键词：磁控溅射，v a r i a n 3 2 9 0 ，铝膜，铝凹陷，干法蚀刻。 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sag o o dc o n d u c t o r ，a it h i nf i l m sw e r ew i d e l yu s e di nv l s ii n d u s u y ，i nt h i s p a p e r ，w es t u d i e dt h ep r o p e r t i e so f a 1t h i nf i l m sd e p o s i t e db ym a g n e v o n s p u t t e r i n g s y s t e m ，a n da l s ot h eo p t i m u me t c h i n gc o n d i t i o n so f a lw e r ep r e s e n t e d i nm a g n e t r o ns p u t t e r i n gs y s t e m ，t h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ew h i c ht o u c h e do nt h e e n e r g y ，t h ea d s o r p t i o na n dt h ec o a g u l a t i o no fa ia t o m sd u r i n gt h ef o r m a t i o no ft h i n f i l m sh a dag r e a ti n f l u e n c et ot h eq u a l i t yo fa it h i n f i l m s t h e r e f o r e ，t h es u b s t r a t e t e m p e r a t u r ew a s t h em a i nf a c t o rw h i c h o b v i o u s l ya f f e c t e dt h ea t o m s d i s t r i b u t i o na n d s t e pc o v e r a g e o f a lt h i nf i l m s i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r eb y a d j u s t i n g s o m ep a r a m e t e r so fs p u t t e r i n gs y s t e m ( v a r i a n 3 2 9 0 ) w a ss t u d i e d w h e nt h e h e a t i n g t e m p e r a t u r ew a sb e t w e e n15 0 。c 2 5 0 。c ，t h eq u a l i t yo fa 1t h i nf i l m sw ed e p o s i t e d m a t c h e dt h er e q u i r e m e n to fs e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r e w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e s u b s t r a t et e m p e r a t u r e ，t h et h i nf i l m sw e r em o r ed i m c u l tt ob ec o r r o d e d a n dt h es t e p c o v e r a g eo f t h ef i l m sw a s b e t t e r b u ti f t h et e m p e r a t u r ew a sh i g h e r b e y o n d3 0 0 。c ，t h e s u r f a c et o p o g r a p h yw a s r u g g e d w ea l s oi n t r o d u c e dt h e p r i n c i p l ea n d m a i n p a r a m e t e r s o f e t c h i n go f a 1t h i nf i l m s ， a sw e l la st h es t r u c t u r eo ft h ee t c h i n gm a c h i n e ( a p p l i e dm a t e r i a l s8 3 3 0 ) t h em e t h o d s o fo p t i m i z i n gs o m em a i ne t c h i n g p a r a m e t e r s ，s u c h a s e t c h i n gr a t e 、u n i f o r m i t y ， s e l e c t i v i t y a n d p o l y m e r ，w e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g hm a n ye x p e r i m e n t s a n dt h e o p t i m i z e dr e s u l t sc a nb eu s e df o ra d j u s t i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha st h ep o w e r o fr a d i of r e q u e n c y ，c h a m b e r p r e s s u r e ，g a sf l o ww h e nd r i f t i n gf r o md e s i r e dc o n d i t i o n s o c c u r r e d ，a n da l s ot h eo p t i m u m e t c h i n gc o n d i t i o n sw e r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：m a g n e g o ns p u t t e r i n g ，a it h i nf i l m s ，d r ye t c h i n g 2 电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 集成电路乃将各种电路元件集积于半导体表面而形成的电路。近年来集成 电路几乎已成为所有电子产品的心脏。目前科技的飞速进展与集成电路的发展 应用，有密不可分的关系。十九世纪工业革命主要以机器节省人力，本世纪的 工业革命则主要以电脑为人脑分劳。而电脑的发展系于集成电路工业。由于 集成电路微小化趋向，使电予产品得以微型化智能化。故集成电路工业又称微 电子工业。第一个平面化集成电路如图1 1 所示。 图l l 微电子工业可溯源于1 9 4 7 年萧克莱( w s c h o e k l e y ) 等人发明晶体管取代真 空管放大器。差不多在同时数字计算机的发展提供了应用晶体管的庞大潜在市 场。新元件的出现与应用的配合，造就了晶体管和计算机工业的爆炸性成长。 同时因为计算机、太空卫星、飞弹电子系统微型化智能化的需求刺激了集成电 路的发展。到5 0 年代末期，集成电路已发展到耐用性可靠性相当良好的境地。 自此以后，集成电路制造技术更一日千里。演变至今，各电路元件基组尺寸不 断缩小( 至深次微米大小，微米为一公分之万分之一，人发赢径约为五十微 米)，工作速度加快( 每秒可执行百亿个指令) ，耐用性增加，而价格大为降 低。估计过去三十年中，电子元件基组使用量每年增加一倍，亦即每年增加数 量为该年以前所有生产及使用元件基组数量总和。同期间，每执行一个工作指 令的元件基组价格，却以每年百分之= 十至三十的幅度降低。这种价格与功能 的关系，是工业革命以来所有工业产品从未出现的现象。尤其近年来个人电脑 的发展，不仅使微电子产品自工厂进入办公室及家庭，而且更促成其他各种工 电子科技大学硕士学位论文 业作革命性的改变：如机器操作自动化，新机件自动校准，现场测试能力等大 大提高，工业机器人的发展，资料储存及处理机、移动通讯的日渐普遍，而渐 成为所有工业进步的动力。有专家认为二十世纪与下世纪之交数十年间，一国 电子业的强大与否可决定其盛衰。亦有人称二十世纪中叶以后的时代为半导体 时代。 集成电路制程最重要的步骤1 2 1 ，有以下七项，现简单介绍如下 ( 1 ) 单晶成长 硅单晶通常以柴氏法或浮区法成长。大致上是将坩锅中，盛有高纯度硅的 熔融液( 维持在硅熔点1 4 1 4 以上的高温) 利用长条状的晶种与熔液接触，再缓 缓升起。单晶在固体晶种与熔液界面成长。浮区法利用局部加热法，使熔融硅 与坩锅接触。目前硅单晶成长技术已相当成熟，可长成一米长，直径二十公分 的庞大晶体。其纯度可达到每十亿硅原子中仅含一个杂质原子( 像一个外国人跻 身于十亿人口的中国一样，比例非常低) ，而晶体中几乎全无缺陷。长成的圆柱 形硅晶棒首先经切割成晶片。晶片的厚度选取随其直径增加而增加，一般约数 百微米。切割好的晶片再经机械研磨及化学侵蚀，将表面磨光平滑如镜，即成 为集成电路基底的晶圆。 ( 2 ) 生成硅晶薄膜 外延硅薄膜的纯度高、缺陷少、性质佳，但其制造温度最高、难度最高， 因此在元件应用上有其限制，一般用在集成电路制程最前段。多晶硅薄膜则在 集成电路中应用极广，这要归功于其制程温度较低，耐高温，与二氧化硅界面 特性佳，可靠度好，而且能均匀覆盖不平坦的结构。另一方面，更低温多晶硅 薄膜制程，尤其是用在以玻璃为基材的液晶显示器薄膜晶体管，则仍然需要更 进一步研发工作改进。至于非晶硅薄膜缺陷多，一般用于对缺陷较不敏感元 件，例如太阳能电池，除此之外，在低温多晶硅薄膜制程未成熟以前，也是低 温多晶硅薄膜制程所需的主要材料之一。 6 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 生成绝缘层 处理晶圆的最先步骤，通常为在硅晶上成长二氧化硅绝缘层。二氧化硅可 由纯硅在氧化气氛中加热生成。依需要氧化气氛可为氧气或水蒸气。而加热温 度则在9 0 0 1 0 0 0 。c 之间。加热时间则由所需氧化层厚度决定。 氧化层可用于制成集成电路图形，掺入电活性杂质之障、保护层及闸极电 介质等。在某些制程中亦用到氮化硅( s i 3 n 4 ) 的绝缘层。氧化硅及氮化硅均可 由化学气相沉积法生成，所需温度在2 5 0 4 5 0 之间。 ( 4 ) 微影蚀刻形成电路图形 在半导体面形成集成电路所需的图形，通常要用微影蚀刻方法 3 1 ：蚀刻方法 分为干法与湿法两种。形成集成电路图形的步骤如下：首先在硅晶上以热处理 方法长一层氧化层，其次在氧化层上涂一层有机光刻胶层。利用紫外光透过一 光罩透光的部份。某些光刻胶材料经紫外线照射其分子链被破坏，而可经有机 溶剂清洗掉，再以氢氟酸除去曝露部份的氧化物，再将未反应光刻胶材料清 除，最后在半导体表面得到与光罩上一样的图形。上例乃为利用正光刻胶材 料，如利用负光刻胶材料，经曝光后，负光刻胶材料分子结合在一起而较未曝 光光刻胶难清除，如此得到的图形与光罩透光部份互补。另外因开e l 尺寸微小 化，曝光光源有利用更短波长电磁波，x 光及电子束的趋势。 干法是利用离子束清除未受光刻胶保护区域的材料方法。其优点在各向异 性蚀刻较高，而光刻胶也可以用氧化法清除。 在集成电路制作步骤中，蚀刻形成图形为必经步骤，较复杂的集成电路 利用光罩形成图形的次数达三十次之多。 ( 5 ) 掺入电活性杂质及热处理 硅晶中一般均须加入电活性杂质原子( 如三价的硼，五价的砷或磷) ，来控 制半导体的导电性能，形成正、负接面晶体管。掺入杂质方法包括扩散法及离 子植入法。离子植入法因在杂质浓度、纵深分布及纯度控制方面远较扩散法优 7 电子科技大学硕士学位论文 越，在大型集成电路制作上已被广泛应用。其方法是利用加速器将高能量离子 植入硅晶表面中。因高能量离子常会破坏硅晶表面晶体结构，造成辐射损伤， 生成各种缺陷。生成的缺陷对硅晶电性往往有不良的影响，因此在离子植入后 必须有一段热处理的步骤，去除晶体中的缺陷。 热处理通常在石英管惰性气体中进行，热处理温度一般在1 1 0 0 以下。时 间则视消除缺陷及杂质分布的需要而定。 ( 6 ) 制作金属接面及连线 在集成电路中各电路元件，通常由导线连接。这些导线除了在接触区域 外，通常与硅晶基底有一绝缘层间隔。 导电层也用于晶体管接触及金氧半晶体管闸极之电极导体接触及闸极电 极，一般要求导电性好即电阻低。在元件尺寸较大时，均利用铝膜，但铝膜与 硅晶反应过强，近年来闸极电极多改用低阻值的多晶硅或金属与硅的化合物f 金 属硅化物) ，接触则改用金属硅化物。在大型集成电路中，金属硅化物应用甚为 普遍。金属硅化物常由在硅晶上沉积金属或金属硅薄膜再经热处理形成。为防 止铝连线与硅化物作用，在其中常沉积一层扩散阻绝层，如钛一钨、混合物或 氮化钛层。 在元件基组连线特性方面，须与绝缘层粘着力好，但不易穿越绝缘层与硅 晶接触，在元件操作时不易断线，电阻值低。以往均利用铝或铝合金膜，近年 来有改用铜膜的趋势。 ( 7 ) 切片与构装 集成电路在制程中，均在晶圆上同时制作许多5 1 0 毫米大小长方形晶 片。各晶片会高达百万个电路基组。经切割后，各晶片须焊粘于电路基板，再 分别构装才能应用。 构装包括封装及接线，封装的目的在于防止集成电路受潮、受蚀、碰损， 并增加导热能力，从而可以在较恶劣的情况下使用。接线则使集成电路相互间 电子科技大学硕士学位论文 得到连接，并得以对外输入、输出讯号，对微电子产品性能、价格和可靠性都 有很大影响。 微电子工艺技术是一种综合技术，任何一个环节出现问题都会使集成电路 的品质，成品率受到重大影响。其中以光刻、蚀刻为代表的微细加工技术则是 微电子工艺技术中最为关键的技术，并决定了最小线宽的极限。随着工艺技术 从l g m 以上发展到当今的0 2 5 9 m 大生产及0 1 8 0 0 9 9 m 研发水平【4 】，从表1 1 中可见，为了满足微电子工业对特征尺寸的不断缩小、硅片尺寸的不断增大的 要求，必然对光刻、蚀刻技术及其设各提出更高的要求。 表1 - 1 器件技术发展趋势 1 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 0 42 0 0 7 0 2 5 u m 0 2 5 i x m0 1 8 9 r n 0 1 3u j n 0 0 9 l t r n 功能 d r a m ( 位1 6 4 m2 5 5 mi g4 g1 5 g m p u ( m m ) 1 2 m 2 8 m 6 4 m 1 5 0 m 2 3 5 m 芯片面积 d r a m ( 位) 1 9 02 8 04 2 06 4 09 6 0 m p u ( m m ) 2 5 03 0 03 6 04 3 05 2 0 引线层数 d r a m2 2 3 333 m p u 4 - 555 - 666 7 芯片直径 2 0 0 m m 2 0 0 3 0 0 m m 3 0 0 m m 3 0 0 m m4 0 0 m m 缺陷密值 d r a m ( 位1 5 6 03 7 5 2 5 0 1 6 5l l o m p u ( m m ) 4 2 53 5 02 0 02 4 52 0 0 虽然我国在微电子方面加快了发展速度，并已经取得了显著成果，但是 与发达国家相比，我们的差距还很大。同时，由于发达国家对中国在高技术方 面的封锁( 包括技术封锁、设备禁运等) ，要求我们必须走独立自主、自力更 生的道路。 在硅片表面形成光刻胶图形之后，下一步就是通过蚀刻工艺把图形转移 到光刻胶下边的层上。随着超大规模集成技术的发展，器件的特征尺寸进一步 缩小，台阶高宽比( a s p e c tr a t i o ) 的增加以及新材料的应用等因素。对蚀刻速 率、选择比、关键尺寸精度( c d l o s s ) 以及微负载效应( m i c r o i o a d i n g ) 等指 标的要求又提高了一步，也就是对蚀刻转移图形的重现精度和尺寸控制要求越 来越高。 9 电子科技大学硕士学位论文 由于铝具有良好的导电性，并且易于溅射淀积，工艺成本低等优点，所 以铝和铝合金仍为v l s i 芯片中使用最广泛的互连导体。铝互连线的蚀刻好坏 童接关系到芯片的成品率、电性能及其使用寿命。 本论文重点研究铝互连及其铝的相关的蚀刻( 湿法，干法) 。 o 电子科技大学硕士学位论文 第二章铝合金及其性质 由于铝具有良好的导电性，并且易于溅射淀积，易于蚀刻，工艺成本低等 优点，所以铝和铝合金为v l s i 芯片中用的最广的互连导体。并且a l 与s i 0 2 有 如下反应： 3 s 1 0 2 + 4 a 1 专3 s i + 2 a 1 2 0 3 这样a 1 就可以吃掉生长在s i 表面的一层极薄的自然氧化层，从而使欧姆 接触电阻降低；还可以改善a l 与其下的s i 0 2 的粘附性。 但是铝有些特性必须得引起注意： 1 、a i 尖楔 a i s i 接触时没有硅化物形成，但是会形成合金，多数情况下，铝在硅中的 溶解度可以忽略，但是硅在铝中的溶解度却很高，在4 0 0 5 0 0 。c 范围内，硅在铝 薄膜中的扩散系数要比在晶体铝中大了约4 0 倍【5 1 ，这是由于薄膜铝为多晶，杂 质在晶粒间界的扩散系数远大于在晶体内的扩散系数。 当铝与硅接触时，若整个接触面内的硅均匀的往铝内扩散，当扩散的深度 大于结深时，会造成p n 结短路。实际情况远比这个严重，接触面上的硅往往 不是均匀消耗，而是只在几个点消耗硅，这样铝就在某些接触点上象尖楔一样 钉到了硅衬底中，造成器件失效。 改善尖楔的方法 是在铝中掺入硅饱和溶解度所要求的足量的硅( 但会产生硅分凝问题， 即在较高温度下溶解在铝中的硅在退火时又析出硅渣) ： 在s i 与a l 间做一层阻挡层，形成s i , r r i ( t i n ) a 1 三层夹心结构； 由于a l 与s i 的接触面积越大发生尖楔的可能越大，所以a l 与s i 的接 触面不能做的太大； 铝重磷( 砷) 掺杂多晶硅结构。 2 、电迁移现象 铝引线在大电流密度作用下，沿着电子流的方向，会发生质量运输现象， 结果在一个方向形成空洞，而在另一个方向则由于铝原子的堆积而形成小丘。 前者将使互连线开路或断开，而后者则可造成多层布线间的断路。 电子科技大学硕士学位论文 。空位a l 原千 一誉一i l + i 图2 1 铝的电迁移现象 电迁移现象本质是导体原子和通过该导体的电子流之间的相互作用。当铝 中有电流时，铝原子将受到两个方向相反的作用力： 1 、静电作用力，方向沿电场方向； 2 、导电电子与铝原子之间的碰撞引起的相互间的动能交换，我们称之 为电子风的作用力，方向沿电子流的方向。 当电流密度比较大时，电子风作用力将是主要的，这时金属原子将沿着电 子流的方向输运。如图2 1 所示。 改善方法： 加入合金( c u ) ，这些杂质在铝晶粒间界的分凝可以降低铝原子在铝 晶粒间的扩散系数( 但会引起电阻率增大) ： 三层夹心( a 1 t i a l ，退火后会形成很好的扩散阻挡层) 。 2 1 1 附着性 2 1v l s i 工艺中对铝膜性质的要求 淀积生长薄膜的附着性在大规模集成电路的制造中是很重要的，对于淀积 及其后续的工序例如曝光后的显影、蚀刻等都要求薄膜具有很好的附着性。如 果薄膜的附着性不好，就可能在后续的工序中导致薄膜的缺陷，薄膜与衬底的 附着性不好会使接触电阻变大，若铝薄膜从衬底上剥落则会导致器件的失效， 薄膜的附着性关系到器件的电可靠性问题【6 1 。 附着性很大程度上是受到硅片表面清洁度的影响，硅片表面的污染物会使 薄膜的附着性变差。在淀积薄膜之前对衬底进行清洁对淀积高附着性的薄膜是 很重要的步骤。 电子科技大学硕士学位论文 衬底表面粗糙度对薄膜的附着性也有影响。提高衬底表面粗糙度会提高薄 膜的附着性，因为：1 、粗糙的衬底比平坦的衬底有更大的表面；2 、在衬底和 薄膜之间机械互锁可能发生。但是过多的提高衬底表面粗糙度可能导致薄膜的 缺陷增加，会提高薄膜失效的可能性。 2 1 2 应力 几乎所有的薄膜都有某种状态的内应力，不管这种薄膜是以何种方法生长 的。应力分为压应力和拉应力两种。压应力薄膜具有在衬底表面的水平方向伸 展的趋势，在极端的情况下，压应力的薄膜会在衬底表面弯曲突起。而拉应力 薄膜具有在衬底表面的水平方向收缩的趋势，如果拉应力超过了薄膜的弹性极 限，薄膜就会出现裂纹。通常情况下，薄膜的应力在1 0 8 5 1 0 1 0d y n e s c m 2 。高 应力薄膜在大规模集成电路的应用中并不令人满意，因为：1 、它们通常表现出 差的附着性；2 、薄膜的耐腐蚀性差：3 、脆性的薄膜会在拉应力中出现很多裂 纹。4 、在退火之后具有应力的金属薄膜的电阻会比没有应力的金属的电阻大。 薄膜受到的应力有：外加的应力盯。，热应力盯m 和内应力盯。则总的应力 为： o = o 哳t + o t h 七o i m 热应力是由薄膜和衬底之间不同的热膨胀系数而产生的。内应力是薄膜生长时 各部分的结构不同而来的。热应力取决于薄膜一衬底结合的强制约束： o t h = ( 口，一c t ，) ( 丁) e s 口，与口，分别是薄膜和衬底的平均热膨胀系数。丁是薄膜生长时的实际温度减 去测量的温度。 内应力的大小与薄膜的厚度，淀积速率，淀积温度，淀积时的环境压强， 薄膜淀积前的准备方法，衬底的类型等参数有关。 在低的衬底温度下，金属薄膜趋向于表现为拉应力。拉应力随着衬底温度 的升高而降低，最后降到零，甚至变为压应力。低熔点金属转变为压应力的温 度比较低。 沉积速率对薄膜的内应力的影响是很明显的，在沉积速率较小时，薄膜的 应力是拉应力，拉应力的值随着沉积速率的增加而降低，最后在沉积速率变得 电子科技大学硕士学位论文 更大时，表现为压应力。在大规模集成电路中对薄膜应力的期望是应力小于1 0 9 d y n e s c m 2 ，应力类型为压应力。 2 1 3 电性能 由于铝薄膜在大规模集成电路中的主要应用是作为器件问的连线，电性能 是铝薄膜重要的性能指标。铝薄膜的电性能包括电阻率、对衬底的接触电阻、 抗电子迁移性。对电阻率的要求是小于1 0 9 d c m ，接触电阻在0 5 9 m 2 的接触孔 上要小于5 0 1 2 。 2 1 4 表面平坦度 要求铝薄膜的表面平滑，是满足光刻对表面平坦度的要求，由于溅射薄膜 的均匀性好，铝膜的表面平坦度主要受铝晶粒大小的影响，铝晶粒越d , n 表面 平坦度越好。对铝膜表面平坦度的测量是通过测量溅射铝膜的反射率来得到 的。在这里利用n a n o s p e c 测厚仪来测量铝膜的反射率，n a n o s p e c 测厚仪 所用光波长为4 3 6 n m ，是利用薄膜表面所反射的光强与洁净的硅片反射的光强 的比值来表示薄膜的反射率的，设洁净的硅片反射率为1 0 0 ，通常的工艺要求 铝膜的反射率大于2 0 0 。n a n o s p e c 测厚仪测铝膜反射率的原理如图2 - 2 所 不： ， 一 小晶粒 、二二止二二一， 二_ 二= 生芦。 二垒二￥ 八g 厂、g 大晶粒 图2 - 2n a n o s p e c 测厚仪测铝膜反射率的原理图 电子科技大学硕士学位论文 2 1 5 台阶覆盖性 铝薄膜在微电子领域最主要的应用是作为集成电路上的金属互连层，一般 这些层覆盖在像二氧化硅那样的厚介质上，为与器件连接，需要先在二氧化硅 上刻蚀出孔。为了使电路能够正常工作，就需要在溅射铝膜的时候使铝膜能够 很好的覆盖接触孔，与接触孔下的衬底形成良好的欧姆接触，使电信号能够很 好的传播。 2 2 溅射原理 溅射淀积而成的铝薄膜是多晶态的，厚度范围是5 0 0 0 1 5 0 0 0a 。半导体集 成电路生产对铝薄膜有以下的要求【7 】： 1 为维持电性能的完整性，必须具有高的电导率，能够传导高的电流密 度。 2 能够很好的粘附下层衬底，容易与外电路实现电连接。与半导体和金属 表面连接时接触电阻低。 3 具有良好的台阶覆盖，可以在通孔、栅极等有高度差的区域形成连续均 匀的薄膜。 4 很好的抗机械应力特性以便减少硅片的扭曲和材料失效，比如断裂、空 洞的形成和应力诱导腐蚀。 所谓溅射是指荷能粒子轰击固体表面，使固体原子( 分子) 从表面射出的 现象。溅射是物理气相淀积形式之，于1 8 5 2 年由w i l l i a mr o b e r tg r o v e 发 现，并由l a n g m u i r 在上世纪2 0 年代开发成为薄膜淀积技术。就像它的名字所 暗示的一样，溅射主要是一个物理过程，而非化学过程。在溅射过程中，高能 粒子撞击具有高纯度的靶材料固体平板，按物理过程撞击出原子。这些被撞击 出的原子穿过真空，最后淀积在硅片上。 溅射的优点是： 1 具有淀积并保持复杂合金原组分的能力。 2 能够淀积高温融化和难熔金属。 3 能够在直径为2 0 0 毫米或更大的硅片上控制淀积均匀薄膜。 电子科技大学硕士学位论文 4 具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片表面的沾污和表面的氧 化层( 被称为原位溅射刻蚀) 。 对于更早的金属化方法蒸发而言，溅射在间隙填充方面是一个大的改进。 蒸发相对有限的台阶覆盖和填充高深宽比通孔的能力，使它不够应用于超大规 模集成电路。通过溅射以获得良好的台阶覆盖、包括最近用离子化金属等离子 体的方法在近年取得了发展。对于关键应用，如钨填充塞的台阶覆盖，淀积过 程通常由c v d 金属过程来完成。溅射不断地用于淀积关键的阻挡层和种子层， 如用于铜金属化的钽和氮化钽( 当深宽比合适) 。 在半导体制造中溅射淀积的铝膜可能出现的问题有铝膜的反射率偏低，使 后继的光刻制程产生困难，电阻率偏离，铝膜的质量达不到要求，在后面的工 序中产生铝晶粒脱落，使铝膜的可靠性降低，在覆盖晶片表面的台阶区域时， 产生铝膜不连续的问题。 在薄膜的溅射淀积过程中，温度是很重要的影响因素，它关系到金属原子 的能量，原子在硅片表面的吸附，凝结等薄膜的形成过程，因此，最后溅射形 成的薄膜质量与温度有很大的关系。原子的表面迁移率也取决于温度，这使温 度关系到薄膜的均匀性和台阶覆盖性。 2 2 1 溅射的基本步骤 溅射有6 个基本步骤： 1 在高真空等离子体中产生正氩离子，并向具有负电势的靶材料加速。 2 在加速过程中离子获得动能，并轰击靶。 3 离子通过物理过程从靶上撞击出( 溅射) 原予，靶具有想要的材料组 分。 4 被撞击出( 溅射) 的原子迁移至4 硅片表面。 5 被溅射出的原子在硅片表面凝聚并形成薄膜，与靶材料比较，薄膜具有 与它基本相同的材料组分。 6 额外材料由真空泵抽走。 为了阐述溅射过程，图2 。3 画出了具有平行金属板的简单直流二极管溅射 淀积腔体的基本构造。它由固体靶材料、衬底和真空环境组成。靶接地被称为 6 电子科技大学硕士学位论文 阴极，衬底具有正电势，被称为阳极。溅射靶由需要溅射的材料组成。制造靶 的要求是均匀的组分、合适的颗粒尺寸和具体的结晶学取向，所有这一切都是 为了在整个硅片上获得均匀的薄膜淀积速率。为了获得可接受得薄膜纯度应用 于0 2 5 p m 的几何尺寸，靶的纯度要求达到9 9 9 9 9 或者更高。 用来轰击靶材料的氩离子是氩气辉光放电离子化形成的等离子体中的正氩 离子。等离子态是物质的第四态，内能和动能远高于固态，液态和气态。等离 子体的定义是一种遭受离子化的气体。在两个相对应的金属电极板上施以电 压，假如电极板间的气体分子浓度在某一特定的区间，电极板表面因离子轰击 所产生的二次电子在电极板所提供的电场下，获得足够的能量，而与电极板间 的气体分子因撞击而进行离子化，得到正离子和电子，以维持等离子体内各粒 子间的浓度平衡。 2 2 2 等离子体 通常被激发成等离子态的气体分子除了带电粒子之外，还有若干激动状态 的中性气体分子。故通常等离子体内含有中性气体分子、离子、电子。这几种 族群的成员多寡及各成员所携带的动能，视气体种类、气体压力以及外部有多 少能量输入而定。等离子体的存在需要外部持续不断的提供能量，当气体发生 电子科技大学硕士学位论文 等离子化时，会发出肉眼所见为柔和的辉光，故这种等离子体又称为辉光放电 等离子体。 辉光放电的发生是在一定的真空度下，此时可观察到放电区域内的不均匀 现象。辉光放电外观大致分为阴极辉光n ( c a t h o d eg l o w ) 、阴极暗区( c a t h o d e d a r ks p a c e ) 、负极辉光区( n e g a t i v eg l o w ) 、法拉第暗区( f a r a d a ys p a c e ) 及正极辉 光柱区( p o s i t i v ec o l u m n ) 1 8 。 ( 1 )阴极辉光区：由入射正电荷离子及阴极产生的正电荷离子被二次电 子中和的区域。 ( 2 ) 阴极暗区：带正电的离子在阴极附近聚集二形成电压差，这个电压 差就是等离子体电压v 。和阴极电压v 。之间的电压差，而由阴极发射 出来的电子还没有被电场加速到足够高的能量，且正电荷的浓度太 高，所以几乎没有离子化及再结合等的发光现象，所以呈现灰暗区 域。 ( 3 ) 负极辉光区：从阴极被加速的二次电子，因被电场加速到足够的能 量，并撞击中性气体分子，使其离子化或被激发而产生放电现象， 是最亮的区域；一般做溅射的过程时，基板就是被放置在这个区域 内。 ( 4 ) 法拉第暗区及正极辉光柱区：这两个区域必须时两电极板之间的距 离足够的状况下才会发生的，一般用来做溅射的装置是不会出现这 两个区域的。 在这些区域中，除了阴极暗区以外，其他区都是含有大量自由电子的等离 子区或近似等离子区，而此等离子区为一种电的良导体，所以有极大的电压跨 在负极辉光区和阴极之间；因此存在负极辉光区的离子，一旦由于热运动而进 入阴极暗区，就全被跨于负辉光区的电场加速而飞向阴极，造成阴极表面物质 的溅射和二次电子产生。二次电子又会受电场加速而飞离阴极，再与气体原予 碰撞电离产生新的电子和离子，如此就可以维持等离子体区的离子浓度，使辉 光放电持续不断。 从氩气辉光放电产生的高密度阳离子被强烈吸引到负电极靶板，以高速率 轰击靶板，撞击出原予以便淀积。从靶材料被溅射的原子在腔体中散开，最后 一些停留在硅片和腔体壁上。使得一些系统中清理腔体成为必要。原子在硅片 电子科技大学硕士学位论文 上成核并生长为薄膜。溅射应用的一个重要方面是溅射淀积合金，特别是铝硅 和铝铜合金。例如，如果靶材料是铝含有1 的铜，那么淀积的薄膜也含有1 的铜。 为产生等离子体并保持被淀积薄膜的纯度，溅射腔体的真空条件很重要， 通常其初始真空度的要求是1 0 。7t o r r 。氩气进入工艺腔的速率很关键，因为它 引起腔体中压力的上升。腔体中有氩气和被溅射的材料，压力上升到约1 0 。 t o r t 。工艺腔中热的高真空环境促使被溅射原子进入硅片表面上的薄膜。 氩气用作溅射离子，是因为它相对较重，其原子量为4 0 ，并且化学上是惰 性气体，这避免了它和生长的薄膜或靶发生化学反应。如果一个高能电子撞击 中性的氩原子，碰撞电离外层电子，产生了带正电荷的氩离子。这个具有能量 的粒子被用于轰击带负电的靶材料以便被溅射。 带正电荷的氩离子在等离子体中被阴极的负电位强烈吸引。当这些带电的 氩离子通过辉光放电暗区时，它们被加速并且获得动能。当氩离子轰击靶表面 时，氩离子的动量转移给靶材料以撞击出一个或多个原子。这一作用被称为动 量转移。被撞出的单个或多个原子运动穿过等离子体到达硅片表面。入射离子 的能量范围为5 0 0 到5 0 0 0 e v 。 溅射的过程中从靶材料的表面撞击出金属原子的过程类似于撞球游戏中正 在撞击的弹子球。即使撞球中的母球是朝一个方向前进的，弹子球也可能朝其 他方向被撞出。同样的情况发生在溅射过程中，只不过这里是氩离子轰击靶， 并且从靶的表面撞出一个或多个原子。 2 2 3 溅射系统 简单的直流二极管溅射系统没有应用在微电子制造业中，现在微电子制造 业使用的溅射系统分为三类： ( 1 ) r f ( 射频) 溅射 在r f 溅射系统中，等离子体是由i 珂场而非上面所描述的d c 场产生的。 r f 频率通常为1 3 5 6 m h z ，加在靶电极的背面并通过电容耦合到前面。 ( 2 ) 磁控溅射 1 9 电子科技大学硕士学位论文 在氩离子轰击靶材料的时候，靶材料会产生二次电子，这些二次电子可以 使氩气电离成为等离子体，但在直流溅射和r f 溅射中，从靶射出的大多数二 次电子并没有引起氩气的电离，磁控溅射就是在靶的周围和后面装置了磁体， 此目的是为了让二次电子在离开靶表面之后，同时受到电场与磁场的影响，限 制二次电子在靶的前面，电子在行进期间可大大的增加与氩气分子碰撞的机 会，增加氯气电离的几率，提高等离子体密度，于是在不利于气体电离的条件 下，仍然可以获得很高的靶面电流密度【9 】。所以，磁控溅射系统可以在高真空 下仍可进行溅射，且由于平均自由程的提高，减少被溅射原子与气体分子碰撞 的机会，增加沉积速率。 ( 3 ) i m p 离子化的金属等离子体 对高性能i c 而言，硅片制造业中存在的一个溅射技术问题是：当特征尺寸 缩小时，溅射进入具有高深宽比的通孔和狭窄的沟道的能力受到限制。为了克 服这个问题，最近在p v d 方面的发展是离子化的金属等离子体p v d ，它于2 0 世纪9 0 年代中期被引入。这种方法是在压力为2 0 到4 0m t o r r 的r f 等离子体 中，溅射的金属被等离子化。由于硅片上加了负的偏置电压，正的金属离子沿 着垂直路径朝硅片运动。偏置电压也能用来控制入射金属离子的能量，它减少 了对硅片表面的损坏。偏置的硅片能够使薄膜在高深宽比间隙的底部和角落具 有更高度的一致性。 2 3 1v a r i a n3 2 9 0 的结构 2 3 v a r i a n3 2 9 0 介绍 本论文的实验所用的溅射系统为美国v a d a n 公司出产的m o d e l3 2 9 0 c a s s e t t e - t o c a s s e t 陋s p u t t e 砌! n gs y s t e m ，v a r i a n3 2 9 0 属于磁控直 流溅射系统，该装置采用垂直式反应腔( c h a m b e r ) ，c h a m b e r 由四个溅射腔 ( s t a t i o n ) 组合成，如图2 - 4 。每个渐镀腔承担不同的工序，s t a t i o n1 主要做预 热( p r e ，h e a t ) 或溅射刻蚀( s p u t t e re t c h ) 功用，s t a t i o n2 、3 、4 则可安装靶材 ( t a r g e t ) 进行溅射用途。此外有三种类型的泵做抽真空功用，它们分别为低温 泵( c r y o p u m p ) 1 个、涡轮分子泵( t u r b op u m p ) 2 个、旋转泵( r o t a r y 2 0 电子科技大学硕士学位论文 p u m p ) 1 个。其中最主要和重要的是c r y o p u m p 。该低温泵是利用- - e e 极冷的冷 却面即低温挡板来捕捉凝结气体分子而达到排气作用的一种特殊的高真空泵， 可提高真空度至1 0 西t o r r 。其温度主要是靠液态的氦作为冷冻剂进行反复的压缩 来维持。它的特点是：可以得到其他泵无法得到的洁净的高真空；成本比较 低：任何危度均可安装：可以得很大的排气速度，但随气体种类的不同其排气 量也是不一样的，运转一段时间后续再生。在南科的生产线上，v a r i a n3 2 9 0 采 用的是双腔分步溅射镀膜：先在s t a t i o n2 溅射一半的厚度，再在s t a t i o n3 溅射 一半的厚度，s t a t i o n 4 是空置的。 2 3 2 溅射铝靶 v a r i a n3 2 9 0 溅射系统所用铝靶为铝合金靶，成分为a i 1 w t s i - - 0 5 w t c u ，采用铝合金靶是为了防止铝刺现象1 0 】。为形成与硅之间的低阻接触，铝金 属化工艺的最后一个步骤是低温退火或合金化，尽管低温退火和合金化对形成 低阻接触是必不可少的，但它也有不良的副作用。硅在铝中的溶解度会随着温 度的升高而变大，如果纯铝加热到4 5 0 ，且存在一个硅源，那么硅将在铝中 2 1 电子科技大学硕士学位论文 溶解直到硅浓度达到约0 5 w t 为止。如果加热到5 2 5 ，硅的溶解浓度将达到 约i w t 。尽管看起来硅的含量不大，但金属线是一个庞大的吸收体。一旦硅溶 于铝，它就会沿着铝的晶粒边界快速扩散，离开接触孔处。铝反过来移动到接 触孔内，以填充硅离开后留下的空洞。这样形成的铝刺可以透进硅片深达 1 u m 。如果铝刺穿透了p n 结，其结果就会造成短路【l i l 。图2 5 示出了铝刺的形 成过程。 解决铝刺的普遍方法是用含少量硅的a i s i 合金代替纯a i ，如果铝中硅的 浓度超过了合金温度下硅的固溶度，就几乎不会发生铝刺现象。对于5 0 0 c 的 合金化工艺，a 1 s i 合金中硅的典型浓度在l 2 w t 之间。但使用a 1 s i 合金仍存 在一些问题。首先是硅的凝结问题。在低温下，铝中溶解的硅浓度超过其固溶 度，这意味着将存在一个使硅凝结成团的力，凝结成的硅原子团直径一般在 o 5 1 5 9 m 之间。这些硅原子团在铝的晶粒边界之间以金属半导体界面处形 成。由于铝是硅的受主杂质，因此这些硅原子团是p 型重掺杂的。如果在n 型 硅和金属之间制作接触，那么这些p 型的硅原子团会使接触电阻明显增大尤其 是在接触孔尺寸小的情况下。另外，金属晶粒边界之间的硅原子团也带来个 严重的可靠性问题。对于细金属线，硅原子团的大小接近于金属线的横截面 积。当大电流流过金属线时，就会发生明显的局部升温，最终可能导致金属线 失效。由于铝靶为a 1 ，1 w t s i 一0 5 w t c u 的铝合金，在铝金属蚀刻后，会在硅片 电子科技大学硕二b 学位论文 表面留下硅结晶，如果在溅射铝膜时的温度太高，可能使硅结晶难以去除。图 2 - 6 为在铝蚀刻后去除了硅结晶与未去硅结晶的对比图。 2 3 3 晶片加热系统 在v a r i a n3 2 9 0 溅射系统中对硅片衬底的加热有两种模式，分别是预热 ( p r e h e a t ) 和硅片背面预热( b a c k s i d eh e a tp l u sp r e - - h e a t ) 1 1 2 1 。硅片预热是气 体传导加热技术实现的，在s t a t i o n1 中氩气通入硅片背面对硅片进行快速直接 的加热，然后再在s t a t i o n2 和s t a t i o n3 中进行铝溅射。硅片背面预热模式是在 预热模式的基础上增加s t a t i o n2 和s t a t i o n3 的加热，即在进行铝溅射的同时对 硅片进行加热。两种模式都是利用氩气对硅片进行加热，则在铝膜溅射过程中 氢气的湿度、气压都对硅片的温度有影响。图2 7 为v a r i a n 3 2 9 0 的溅射腔结构 图，可以看到v a r i a n 3 2 9 0 以通入的氩气为导热介质来对硅片进行加热，先用加 热装置对通入的氩气加热，在氩气进入溅射腔时把热量传递给硅片。图2 - 8 为 两种加热方式的硅片在溅射时的温度变化。 除了氩气对硅片的加热，在溅射过程中还有其它的因素对硅片的温度有影 响。由于溅射是在辉光放电的环境中进行的，硅片会受到多种粒子的撞击。如 图2 - 9 所示。这些包括： 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 快速的中性气体原子，在撞击阴极后从阴极弹回，仍然有很大的能 量。它们会撞击硅片表面，并可能会嵌入正在生长的薄膜中。 ( 2 ) 负离子，从阴极表面的二次电子与不纯的气体原子如0 和n 的反应 而来。这些负离子会从c r o o k e s