金属化铝膜蒸镀原理及特性IC工艺技术课件.ppt

1、铝膜蒸镀原理及特性目录:一、蒸发台蒸镀原理；二、铝膜反射率；一、蒸发台蒸镀原理 半导体蒸发工艺是指在高真空条件下，将被淀积材料加热到发出蒸气，蒸气原子以直线运动通过腔体到达圆片表面，堆积为薄膜；MARK-50蒸发台外观：高真空一般由扩散泵或冷泵实现，扩散泵系统一般有冷阱，用以防止泵油蒸气反流到腔室；蒸发台加热系统一般有三种：电阻、电感和电子束。电阻加热系统用一个小线圈和一台可调变压器，将要蒸发材料放入加热灯丝中加热蒸发，但加热灯丝本身易造成沾污，且常常没有合用的加热难熔金属的电阻加热元件；电感加热系统将蒸发材料放入一个BN制成的坩锅中，一个金属线圈绕在坩锅上，通过这个线圈施加RF功率，RF射频

2、在材料中感应出涡流电流使其加热，线圈本身用水冷，保持温度在100，但是坩锅本身材料的沾污仍然是一个严重问题；电子束蒸发系统包括一个加热钨丝环，它围绕着一根相对钨丝处于高偏压的材料细棒周围，从钨丝射出的电子轰击材料棒，提高材料末端的温度，从而产生出蒸发原子束，高能束流在一个强磁场下弯曲270度，射到材料表面，达到蒸发目的；电子束加热系统热电子灯丝易成为沾污源，并且对于硅基材料，易造成辐射损伤；如图所示：蒸发材料被加热蒸发后，在真空腔室中蒸气压非常高，因此我们可得到可接受的淀积速率；淀积速率通常用石英晶体速率指示仪测量，所用器件是一个谐振器板，当晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的质量将使得频率偏移，

3、由测得得频率移动可得出淀积速率；蒸发的一个重要限制是台阶覆盖，一种常用的改进台阶覆盖的方法是在蒸发过程中旋转圆片，为此，蒸发台内用于承载圆片的半球形夹具，被设计成能使圆片环绕蒸发器顶部转动，此时，侧壁上的淀积速率仍低于平坦表面，但是它成为轴向均匀的。旋转行星盘：台阶覆盖：二、铝层反射率 对半导体器件制造很重要的变量是淀积膜的反射率，反射率低的膜常常呈现雾状或乳白色，这些膜的大晶粒会造成光刻困难，或看不到前一层的对准记号，或由于铝晶粒散射出杂散光。已经发现反射率服从下列关系：Re-4/2 其中是均方根表面粗糙度，是入射波长，通常。另外铝膜下面的材料也会影响淀积膜的形貌，因而，也会影响膜的镜面反射

4、，大概服从以下关系式：R（1-0）/（1+0）其中1为铝膜的光学导纳，0为衬底的光学导纳；影响反射率因素 影响铝基金属化层镜面反射的因素包括：衬底温度 膜厚度 腔室内残余气体颗粒 衬底温度对反射率影响有两个方面：一是衬底温度高，常常会形成大的晶粒，导致薄膜的形貌较差；二是到达圆片的原子在它们化学成键成为薄膜的一部分之前，能沿表面扩散，加热圆片的温度会极大的增加表面扩散长度；腔室内残余气体尤其是N2会严重恶化反射率；另外真空腔室中大的颗粒也将影响反射率；此问题可通过提高泵体能力，即提高真空度及保持腔室内洁净度很好的解决；集成电路工艺技术讲座第八讲金属化金属化（MetallizationMetal

5、lization）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 LWddoPoly L=1mm d=1um =1000cmSiO2 do=0.5umRC=Rs(L/w)(Lwo/do)=Rs L2 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 3um 1ns 2um 0.5ns 1um 0.2ns 0.5um 0.1ns 互连线延时已与晶体管开关延时接近，不可忽略。金属半导

6、体接触qmqq(m-)qsEcEFEvqmqqVbi=q(m-s)qsEcEFEv势垒高度qBn=q(m-)金属半导体接触金属功函数和势垒高度00.20.40.60.813456金属功函数(e V)势垒高度(e V)系列1MgAlAgWAuPbPtn-SiSchottky势垒(Diode)JF10-110-2(A/cm2)10-310-410-500.10.20.3 VF(V)W-SiJsJ=Jsexp(qV/kT)-1Js=A*T2exp(qBn/kT)Schottky势垒(Diode)Pt-Si欧姆接触 Rc=(J/v)v=o-1 (.cm2)对低掺杂浓度硅Rc=（k/qAT）(qBn/k

7、T)对高掺杂浓度硅，发生隧道穿透电流Rc=exp4(mns)1/2 Bn/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-Si4202.7W7005.6Ti110041Cu8001.7TiSi290013-25TiW45065-75n+-Si900500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 背面金属化纯铝系统

8、 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-n exp-

9、EA/kTMTF=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%SiPure Al1/TMTF铝-硅接触形成尖刺AlSiO2PN结Si-subAl-Si-Cu系统610 100 400 1000 MTF(hr)Pure AlAl-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

10、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WTiAl接触层PtSi阻挡层导电层耐熔金属硅化物(Silicide)WSi2,MoSi2,TiSi2,TaSi2,PdSi2,CoSi -SiliSide 比Poly Si电阻率低一个数量级 象Poly Si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钨塞(Tungsten plug)Metal 1Metal 2钨塞

11、ILD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,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 *溅射离子撞击靶材表面，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

12、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/P22 分子直径,P 压强 室温 分子直径3A 1.455/P(Pa)蒸发 P10-4 (Pa)=145.5米 溅射 P0.5 (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

13、膜的蒸发蒸发工艺参数 MARK-50 蒸发Ti-Ni-Ag Ti Ni Ag 真空度 10-5 Torr 蒸发速率 5A/min 5A/min 5A/min 加热温度 100C 时间 厚度 600A 3000A 11000A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 反应溅射（其中一种元素可从气体中获得时）如TiN溅射刻

14、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-Cu 1.2um Pressure 8 mTorr SP Power 12kw Heat Temperature 150C Time 60sec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 表面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,腔内残余气

15、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 集成电路表面多台阶，起伏不平，集成密度提高加剧了起伏不平程度 表面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，部分平坦化，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)是一种表面全局平坦化技术 去除高处图形速率比低处图形快 用不同磨料可对不同材料平坦化 氧化物平坦化含超精细硅胶颗粒的KOH溶液 铜平坦化含氧化铝粉粉末的NH4OH溶液化学机械抛光平坦化SiO2抛光前抛光后铜电镀 Cu2+2e Cu 阴极铜阳极+硅片电镀液出口入口铜离子铜镶嵌布线（双大马士革法）ILDILDM1CuSiNCu多层铜布线M1M3M4M2钝化层ILDILDILD