集成電路工藝技術講座

第八講金屬化〔Metallization〕內容金屬化概論金屬化系統PVD形成金屬膜－蒸發和濺射平坦化和先進的互連工藝金屬化概論金屬化概論互連線金屬和硅的接觸歐姆接觸Schottky二極管IC對金屬化的要求互連線時間常數RC延時

LWddoPolyL=1mmd=1um

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

o/do)=RsL2

o/do=(/d)(L2

o/do)=0.07ns互連線CMOS倒相器〔不考慮互連線延時〕特征尺寸開關延時3um1ns2um0.5ns1um0.2ns0.5um0.1ns互連線延時已與晶體管開關延時接近，不可忽略。金屬半導體接觸q

mq

q(

m-)q

sEcEFEvq

mq

qVbi=q(

m-s)q

sEcEFEv勢壘高度q

Bn=q(

m-)金屬半導體接觸n-SiSchottky勢壘(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勢壘(Diode)ＣＥＢＥＢＣPt-Si歐姆接觸Rc=(J/v)v=o-1(2)對低摻雜濃度硅Rc=〔k/qAT〕(qBn/kT)對高摻雜濃度硅，發生隧道穿透電流Rc=exp[4(mns)1/2Bn/ND1/2h]接觸電阻理論和實際值IC對金屬化的要求低電阻率低歐姆接觸容易形成金屬膜容易刻蝕成圖形＝氧化氣氛中穩定機械穩定〔黏附性，應力〕外表光滑工藝過程穩定〔兼容性〕不沾污器件壽命和可靠性能熱壓鍵合一些金屬膜參數金屬膜最大溫度(C)電阻率(ucm)Al/Al-Si4202.7W7005.6Ti>110041Cu>8001.7TiSi2>90013-25TiW45065-75n+-Si>900500金屬化系統金屬化系統純鋁系統鋁/硅系統鋁/硅/銅系統銅系統阻擋層金屬耐熔金屬硅化物鎢塞反面金屬化純鋁系統鋁，在硅中是p型雜質，和p型硅能形成低阻歐姆接觸與n型硅〔濃度＞1019/cm3〕能形成低阻歐姆接觸鋁－硅相圖鋁－硅相圖純鋁系統優點簡單低阻率低2.7-3-cm和SiO2黏附性好容易光刻腐蝕鋁時不腐蝕SiO2和硅(H3PO4)和P型硅和高濃度N型硅形成低歐姆接觸易和外引線鍵合純鋁系統缺點電遷移現象比較嚴重鋁能在較低溫度下再結晶產生小丘金和鋁鍵合產生紫斑，降低可靠性軟，易擦傷多層布線中，鋁－鋁接觸不理想鋁－硅合金化時形成尖刺電遷移現象(Electromigration)電流攜帶的電子把動量轉移給導電的金屬原子，使其移動，金屬形成空洞和小丘電遷移現象MTF=AJ-nexp[-EA/kT]MTF=20年Jmax=105A/cm2含硅量對鋁膜壽命影響1000100102.02.53.0E-3(k)(hr)Al-1.8%SiAl-0.3%SiPureAl1/TMTF鋁-硅接觸形成尖刺AlSiO2PN結Si-subAl-Si-Cu系統101004001000MTF(hr)PureAlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175℃積累失效9070503010%銅系統優點電阻率低抗電遷移能力強最大電流密度是AlCu的十倍更窄的線寬，更高的集成密度缺點刻蝕性差阻擋層金屬阻止上下層材料〔金－半或金－金〕互相混合，提高歐姆接觸可靠性對阻擋層金屬的要求*有很好的阻擋擴散特性*高電導率，低歐姆接觸電阻*與上下層材料有很好黏附性*抗電遷移*很薄并高溫下的穩定性阻擋層金屬Ti,W,Ta,Pt,TiW,TiNAl/W-Ti/Pt/Si系統W－TiAl接觸層Pt－Si阻擋層導電層耐熔金屬硅化物(Silicide)WSi2,MoSi2,TiSi2,TaSi2,PdSi2,CoSi---SiliSide比PolySi電阻率低一個數量級象PolySi一樣可以自對準和硅低阻接觸不產生pn結穿透黏附性好，應力小和鋁接觸電阻低，不和鋁反響耐熔金屬硅化物n+n+Poly-SiTiSi2鎢塞(Tungstenplug)Metal1Metal2鎢塞ILD反面金屬化反面金屬化的目的反面減薄后金屬化金屬化系統Cr-Au,Cr-Ni-Au,Ti-Ni-Au,Ti-Ni-Ag,V-Ni-Au,V-Ni-Ag,PVD形成金屬膜

－蒸發和濺射金屬膜形成方法物理氣相淀積〔PVD〕*蒸發－材料置于真空環境下并加熱至熔點以上，原子以直線運動方式在襯底成膜*濺射－離子撞擊靶材外表，濺出的材料淀積在襯底成膜化學氣相淀積〔CVD〕電鍍PVD原理成核三階段1.成膜物質由固相變成氣相2.氣相分子原子從源渡越到襯底外表3.成核，成長，形成固體膜蒸發原理－蒸汽壓曲線蒸發原理－淀積速率

淀積材料Rd=(M/2k2)1/2(p/T1/2)(A/4r2)其中P－蒸汽壓－密度A－坩堝面積r濺射原理－離子轟擊外表入射離子反射離子與中性粒子二次電子濺射原子外表濺射原理－入射離子能量和產額濺射原理－轟擊離子原子序數和產額平均自由程腔體中原子分子不發生碰撞的平均距離＝KT/P2√2分子直徑,P壓強室溫分子直徑3A＝1.455/P(Pa)蒸發P＝10-4(Pa)=145.5米濺射P＝0.5

(Pa)=2.91cm散射幾率和臺階覆蓋散射幾率n/no=1-exp(-d/)no－總分子數n－遭碰撞分子數蒸發n/no=0.3%非隨機性，直線渡越，臺階覆蓋差濺射n/no=100%渡越方向隨機性臺階覆蓋好蒸發系統蒸發設備(MARK-50)坩堝電阻加熱坩堝電子束加熱多組分薄膜的蒸發蒸發工藝參數MARK-50蒸發Ti-Ni-AgTiNiAg真空度<10-5Torr蒸發速率5A/min5A/min5A/min加熱溫度100°C時間厚度600A3000A11000A蒸發膜臺階覆蓋加熱并旋轉低襯底溫度，無旋轉濺射系統濺射設備〔ILC-1013〕高密度等離子濺射－

磁控濺射等離子體內加一磁場，電子作螺旋運動．增加碰撞幾率和離子密度通常等離子密度:0.0001%高密度等離子體密度:0.03%磁控濺射系統真空泵氬入口DC電源磁鐵靶陰極S-Gun磁控濺射源濺射合金膜靶的化學配比多靶濺射反響濺射〔其中一種元素可從氣體中獲得時〕如TiN濺射刻蝕〔反濺射〕在正式濺射前，改變襯底電位，可使襯底被濺射，鋁或硅上殘留氧化層和沾污被去除，使金屬和金屬，硅和金屬接觸良好．濺射工藝參數設備:ANELVA1013濺射Al-Si-Cu1.2umPressure8mTorrSPPower12kwHeatTemperature150°CTime60sec濺射膜臺階覆蓋濺射膜晶粒結構淀積膜的應力壓應力拉應力淀積膜硅片=ET2/t(1-v)3R2

E:楊氏模量v:泊松比T:硅片厚度R:硅片半徑t：膜厚淀積膜的反射率光刻工藝要求金屬膜的反射率大于0.6外表霧狀和晶粒粗大使反射率降低影響反射率因素：成膜溫度，膜厚,腔內剩余氣體(H2,N2,O2,H2O)，淀積速率平坦化和先進的互連工藝多層布線和平坦化集成電路外表多臺階，起伏不平，集成密度提高加劇了起伏不平程度外表起伏不平使光刻線寬控制困難，是多層金屬布線的重大障礙多層金屬布線技術必須包含平坦化工藝平坦化工藝按程度分為：平滑，局部平坦化，全局平坦化雙層金屬布線〔俯視〕雙層金屬布線〔斷面〕反刻〔局部〕平坦化襯底氧化層光刻膠金屬化學機械拋光(CMP)轉盤拋光墊磨料磨頭硅片化學機械拋光(CMP)是一種外表全局平坦化技術去除高處圖形速率比低處圖形快用不同磨料可對不同材