微电子工艺之金属化

第六章金属化与多层互连技术一、金属及金属性材料1.按功能划分①MOSFET栅电极材料－MOSFET器件的组成部分，对器件的性能起着重要的作用。②互连材料－将同一芯片的各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模块。③接触材料－直接与半导体材料接触的材料，以及提供与外部相连的接触点。2.常用金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等3.常压的金属性材料：掺杂的poly-Si、金属硅化物（PtSi、CoSi）、金属合金（AuCu、CuPt、TiB2、ZrB2、TiC、MoC、TiN）第六章金属化与多层互连技术二、集成电路对金属化的基本要求1.对P＋、N＋或poly-Si形成低阻欧姆接触，即硅/金属接触电阻越小越好；2.提供低阻互连线，从而提高集成电路的速度；3.抗电迁移；4.良好的附着性；5.耐腐蚀；6.易于淀积和刻蚀；7.易键合；8.层与层之间绝缘要好，即相互不扩散，即要求有一个扩散阻挡层。第六章金属化与多层互连技术三、欧姆接触1.定义：金属－相对于半导体主体或串联电阻，当半导体接触处的接触电阻可以忽略不计时，称为欧姆接触。2.三个重要的参数：①功函数:费米能级与真空能级的能量差.金属功函数-WM；半导体功函数－WS。

②肖特基势垒高度Φb:Φb＝WM-,③接触电阻RC:RC=(dV/dJ)v=0低掺杂：，A*-理查德逊常数三、欧姆接触高掺杂：，3.形成欧姆接触的方法①低势垒欧姆接触:金属的功函数WM低于n半导体的功函数WS或金属的功函数WM高于p半导体的功函数WS。实际：必须低于0.3eV以下才能形成欧姆接触。（由于有半导体表面态的存在，存在较宽的耗尽层。）应用实例：测试探针三、欧姆接触②高复合欧姆接触:半导体表面高浓度缺陷，在表面耗尽区起复合中心作用，使RC明显减少。工艺：半导体表面研磨或喷沙处理，离子注入。应用：功率管背面金属化；接触电极。三、欧姆接触③高掺杂欧姆接触：在半导体表面扩散形成高掺杂层，金－半接触时，只形成很薄的耗尽区，载流子能以隧道穿透方式通过势垒。工艺：载流子浓度大于1019/cm3，耗尽区宽度小于10nm。应用实例：引线孔第六章金属化与多层互连技术四、金属化的实现1.真空蒸发淀积①电阻加热蒸发：利用难熔金属电阻丝（W）或电阻片（Mo）加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。淀积的金属：Al、Au、Cr等易熔化、气化金属。②电子束蒸发：利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。淀积的金属：熔点>3000℃的难熔金属。四、金属化的实现2.溅射淀积①定义：用核能离子轰击靶材，使靶材原子从耙表面逸出，淀积在衬底材料上的过程。被溅射材料称为靶材，作为阴极；而硅片作为阳极接地。②机理：抽真空后充惰性气体，电子在电场加速下，与惰性气体碰撞，产生惰性气体离子和更多电子，而惰性气体离子打到靶材上时，溅射出耙原子则淀积在阳极衬底上形成薄膜。四、金属化的实现③类型直流溅射磁控溅射RF溅射离子束溅射和反应金属图8－5平板型磁控溅射源示意图由于在阴极面上存在极强的磁场，电子受洛伦茲力作用而被限制在阴影区内，沿着类似摆线的轨迹运动（虚线），于是增加了电子与气体的碰撞次数，增加了等离子体的密度，提高了溅射速率。四、金属化的实现④溅射条件：衬底温度：200～230℃；背景真空：3×10－4Pa；Ar气压:0.3Pa；溅射速率：1.5nm/s。五、铝硅接触1.合金化原理：铝和硅（重掺杂1019）在300℃以上可以在界面形成硅铝合金，从而形成半导体和金属的欧姆接触。铝硅合金工艺：500℃（577℃共熔点），10～15分钟。金和硅共熔点:370℃合金气氛：真空或H2,N2混合。五、铝硅接触2.Al/Si接触的现象①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低；Si在Al中的溶解度相对较高：400℃时，0.25wt%;450℃时，0.5wt%;500℃时，0.8wt%。②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中大40倍。③与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3好处：降低Al/Si欧姆接触电阻；改善Al与SiO2的粘附性④Al/Si接触的尖楔现象：五、铝硅接触3.Al/Si接触的改善①Al-Si合金金属化引线②Al--掺杂poly-Si双层金属化结构③Al-阻挡层结构4.电迁移现象及改进①电迁移机理：在大电流密度作用下，导电电子与铝金属离子发生动量交换，使金属离子沿电子流方向迁移。迁移使金属离子在阳极端堆积，形成小丘或须晶，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。②电迁移现象的表征－中值失效时间MTF，即50％互连线失效的时间。MTF与引线截面积成正比。③改进电迁移的方法a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。b.Al-Cu(Al-Si-Cu)合金：Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界的扩散系数。c.三层夹心结构：两层Al之间加一层约500Å的金属过渡层。六、

多层布线多层布线是高集成度的必然。第一层：基本单元布线；第二层：单元之间电路布线；介质：SiO2，PSG,Al2O3，聚铣亚铵六、

多层布线1.对布线材料的要求①导电性好；②欧姆接触好；③与绝缘介质层的粘附性好；④对介质腐蚀液的抗蚀性好；⑤热匹配好。常用材料：Al、Al合金、Cu、MoSi等。2.对绝缘介质的要求①绝缘性好；②较高的介电强度和较低的介电常数；③理化性能稳定；④杂质离子的迁移率小；⑤易刻蚀常用材料：SiO2、Al2O3、PSG、聚铣亚铵六、

多层布线3.影响多层布线质量的因素①通孔：孔中残留的介质层；通孔过腐蚀。解决：反应离子刻蚀②介质层：绝缘层上的针孔；金属与绝缘层的热不匹配；介质层的介电强度过低；解决：复合介质层③台阶覆盖：随布线层数增加，台阶密度和高度明显增大。解决：减薄介质层厚度；涂层形成等平面；通孔台阶减缓。七.欧姆接触能带论1.肖特基势垒定义金属—半导体接触通常形成肖特基势垒(即整流结),呈现二极管特性,从半导体到金属形成势垒。a),b)肖特基势垒高度定义为半导体