IC工艺技术8-金属化

集成电路工艺技术讲座

第八讲金属化〔Metallization〕内容金属化概论金属化系统PVD形成金属膜－蒸发和溅射平坦化和先进的互连工艺金属化概论金属化概论互连线金属和硅的接触欧姆接触Schottky二极管IC对金属化的要求互连线时间常数RC延时

LWddoPolyL=1mmd=1um

=1000cmSiO2do=0.5umRC=Rs(L/w)(Lw

o/do)=RsL2

o/do=(/d)(L2

o/do)=0.07ns互连线CMOS倒相器〔不考虑互连线延时〕特征尺寸开关延时3um1ns2um0.5ns1um0.2ns0.5um0.1ns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q

mq

q(

m-)q

sEcEFEvq

mq

qVbi=q(

m-s)q

sEcEFEv势垒高度q

Bn=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-SiJsJ=Js[exp(qV/kT)-1]Js=A*T2exp(q

Bn/kT)

Schottky势垒(Diode)ＣＥＢＥＢＣPt-Si欧姆接触Rc=(J/v)v=o-1(2)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〕外表光滑工艺过程稳定〔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金属化系统金属化系统纯铝系统铝/硅系统铝/硅/铜系统铜系统阻挡层金属耐熔金属硅化物钨塞反面金属化纯铝系统铝，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(Electromigration)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%铜系统优点电阻率低抗电迁移能力强最大电流密度是AlCu的十倍更窄的线宽，更高的集成密度缺点刻蚀性差阻挡层金属阻止上下层材料〔金－半或金－金〕互相混合，提高欧姆接触可靠性对阻挡层金属的要求*有很好的阻挡扩散特性*高电导率，低欧姆接触电阻*与上下层材料有很好黏附性*抗电迁移*很薄并高温下的稳定性阻挡层金属Ti,W,Ta,Pt,TiW,TiNAl/W-Ti/Pt/Si系统W－TiAl接触层Pt－Si阻挡层导电层耐熔金属硅化物(Silicide)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，不和铝反响耐熔金属硅化物n+n+Poly-SiTiSi2钨塞(Tungstenplug)Metal1Metal2钨塞ILD反面金属化反面金属化的目的反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,PVD形成金属膜

－蒸发和溅射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－离子撞击靶材外表，溅出的材料淀积在衬底成膜化学气相淀积〔CVD〕电镀PVD原理成核三阶段1.成膜物质由固相变成气相2.气相分子原子从源渡越到衬底外表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－离子轰击外表入射离子反射离子与中性粒子二次电子溅射原子外表溅射原理－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蒸发设备(MARK-50)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，无旋转溅射系统溅射设备〔ILC-1013〕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%磁控溅射系统真空泵氩入口DC电源磁铁靶阴极S-Gun磁控溅射源溅射合金膜靶的化学配比多靶溅射反响溅射〔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．溅射工艺参数设备:ANELVA1013溅射Al-Si-Cu1.2umPressure8mTorrSPPower12kwHeatTemperature150°CTime60sec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R:硅片半径t：膜厚淀积膜的反射率光刻工艺要求金属膜的反射率大于0.6外表雾状和晶粒粗大使反射率降低影响反射率因素：成膜温度，膜厚,腔内剩余气体(H2,N2,O2,H2O)，淀积速率平坦化和先进的互连工艺多层布线和平坦化集成电路外表多台阶，起伏不平，集成密度提高加剧了起伏不平程度外表起伏不平使光刻线宽控制困难，是多层金属布线的重大障碍多层金属布线技术必须包含平坦化工艺平坦化工艺按程度分为：平滑，局部平坦化，全局平坦化双层金属布线〔俯视〕双层金属布线〔断面〕反刻〔局部〕平坦化衬底氧化层光刻胶金属化学机械抛光(CMP)转盘抛光垫磨料磨头硅片化学机械抛光(CMP)是一种外表全局平坦化技术去除高处图形速率比低处图形快用不同磨料可对不同材