IC工艺技术8-金属化课件

集成电路工艺技术讲座

第八讲（Metallization）金属化的作用互连线金属和硅的欧姆接触MOSFET的栅极Schottky二极管互连线时间常数RC延时

LWddoPolyL=1mmd=1um=1000cmSiO2do=0.5umRC=Rs(L/w)(Lwo/do)=RsL2o/do=(/d)(L2o/do)=0.07ns互连线CMOS倒相器（不考虑互连线延时）3umRC延时1ns2um0.5ns1um0.2ns0.5um0.1ns互连线延时已与晶体管开关延时接近，不可忽略。金属半导体接触qmqq(m-)qsEcEFEvqmqqVbi=q(m-s)qsEcEFEv势垒高度qBn=q(m-)金属半导体接触n-SiSchottky势垒(Diode)

JF10-110-2(A/cm2)10-310-410-500.10.20.3VF(V)W-Si--JsJ=Js[exp(qV/kT)-1]Js=A*T2exp(-qBn/kT)

Schottky势垒(Diode)ＣＥＢＥＢＣPt-Si欧姆接触Rc=(J/v)v=o-1(.cm2)对低掺杂浓度硅Rc=（k/qAT）(qBn/kT)对高掺杂浓度硅，发生隧道穿透电流Rc=exp[4(mns)1/2Bn/ND1/2h]接触电阻理论和实际值IC对金属化的要求低电阻率低欧姆接触容易形成金属膜容易刻蚀成图形＝氧化气氛中稳定机械稳定（黏附性，应力）表面光滑工艺过程稳定（兼容性）不沾污器件寿命和可靠性能热压键合一些金属膜参数金属膜最大温度(C)电阻率(ucm)Al/Al-Si4202.7W7005.6Ti>110041Cu>8001.7TiSi2>90013-25TiW45065-75n+-Si>900500金属化系统纯铝系统铝/硅系统铝/硅/铜系统铝/W-Ti/Pt/Si系统铜互连耐熔金属硅化物背面金属化倒装焊金属化纯铝系统铝，在硅中是p型杂质，和p型硅能形成低阻欧姆接触与n型硅（浓度＞1019/cm3）能形成低阻欧姆接触铝－硅相图铝－硅相图纯铝系统优点简单低阻率低2.7-3-cm和SiO2黏附性好容易光刻腐蚀铝时不腐蚀SiO2和硅(H3PO4)和P型硅和高浓度N型硅形成低欧姆接触易和外引线键合纯铝系统缺点电迁移现象比较严重铝能在较低温度下再结晶产生小丘金和铝键合产生紫斑，降低可靠性软，易擦伤多层布线中，铝－铝接触不理想铝－硅合金化时形成尖刺电迁移现象电流携带的电子把动量转移给导电的金属原子，使其移动，金属形成空洞和小丘电迁移现象MTF=AJ-nexp[-EA/kT]MTF=20年Jmax=105A/cm2含硅量对铝膜寿命影响1000100102.02.53.0E-3(k)(hr)Al-1.8%SiAl-0.3%SiPureAl1/TMTF铝-硅接触形成尖刺AlSiO2PN结Si-subAl-Si-Cu系统101004001000MTF(hr)PureAlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175℃积累失效9070503010%Al/W-Ti/Pt/Si系统W－TiAl接触层Pt－Si阻挡层导电层铜布线优点电阻率低抗电迁移能力强最大电流密度是AlCu的十倍缺点刻蚀性差耐熔金属硅化物WSi2,MoSi2,TiSi2,TaSi2,PdSi2,CoSi---SiliSide比PolySi电阻率低一个数量级象PolySi一样可以自对准和硅低阻接触不产生pn结穿透黏附性好，应力小和铝接触电阻低，不和铝反应耐熔金属硅化物n+n+Poly-SiTiSi2背面金属化背面金属化的目的背面减薄后金属化金属化系统Cr-Au,Cr-Ni-Au,Ti-Ni-Au,Ti-Ni-Ag,V-Ni-Au,V-Ni-Ag,倒装焊(FlipChip)PbSn凸点CuorAuSiO2Al倒装焊(FlipChip)带凸点的硅芯片PCB板或MCM基板金属膜形成方法物理气相淀积（PVD）*蒸发－材料置于真空环境下并加热至熔点以上，原子以直线运动方式在衬底成膜*溅射－离子撞击靶材表面，溅出的材料淀积在衬底成膜化学气相淀积（CVD）PVD原理成核三阶段1.固相变成气相2.气相分组分子原子从源渡越到衬底表面3.成核，成长，形成固体膜蒸发原理－蒸汽压曲线蒸发原理－淀积速率淀积材料Rd=(M/2k2)1/2(p/T1/2)(A/4r2)其中P－蒸汽压－密度A－坩埚面积r溅射原理－离子轰击表面入射离子反射离子与中性粒子二次电子溅射原子表面溅射原理－入射离子能量和产额溅射原理－轰击离子原子序数和产额平均自由程腔体中原子分子不发生碰撞的平均距离＝KT/P2√2分子直径,P压强室温分子直径3A＝1.455/P(Pa)蒸发P＝10-4(Pa)=145.5米溅射P＝0.5

(Pa)=2.91cm散射几率和台阶覆盖散射几率n/no=1-exp(-d/)no－总分子数n－遭碰撞分子数蒸发n/no=0.3%非随机性，直线渡越，台阶覆盖差溅射n/no=100%渡越方向随机性台阶覆盖好蒸发系统坩埚电阻加热坩埚电子束加热多组分薄膜的蒸发蒸发工艺参数MARK-50蒸发Ti-Ni-AgTiNiAg真空度<10-5Torr蒸发速率5A/min5A/min5A/min加热温度100°C时间厚度600A3000A11000A蒸发膜台阶覆盖加热并旋转低衬底温度，无旋转溅射系统高密度等离子溅射－

磁控溅射等离子体内加一磁场，电子作螺旋运动．增加碰撞几率和离子密度通常等离子密度:0.0001%高密度等离子体密度:0.03%磁控溅射溅射合金膜靶的化学配比多靶溅射反应溅射（其中一种元素可从气体中获得时）如TiN溅射刻蚀（反溅射）在正式溅射前，改变衬底电位，可使衬底被溅射，铝或硅上残留氧化层和沾污被去除，使金属和金属，硅和金属接触良好．溅射工艺参数ANELVA1013设备，溅射Al-Si-CuPressure8mTorrSPPower12kwHeatTemperature150°CTime79min溅射膜台阶覆盖溅射膜晶粒结构淀积膜的应力压应力拉应力淀积膜硅片=ET2/t(1-v)3R2

E:杨氏模量v:泊松比T:硅片厚度