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=1umρ=1000μΩcmSiO2do=0.5umRC=Rs(L/w)(Lwεo/do)=RsL2εo/do=(ρ/d)(L2εo/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qφmqχq(φm-χ)qφsEcEFEvqφmqχqVbi=q(φm-φs)qφsEcEFEv势垒高度qφBn=q(φm-χ)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(eV)势垒高度(eV)系列1MgAlAgWAuPbPtn-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(qφBn/kT)Schottky势垒(Diode)ＣＥＢＥＢＣPt-Si欧姆接触•Rc=(∂J/∂v)v=o-1(Ω.cm2)•对低掺杂浓度硅Rc=（k/qAT）(qφBn/kT)•对高掺杂浓度硅，发生隧道穿透电流Rc=exp[4(mnεs)1/2φBn/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500900n+-Si65-75450TiW13-25900TiSi21.7800Cu411100Ti5.6700W2.7420Al/Al-Si电阻率(uΩcm)最大温度(C)金属膜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•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2.7-3μΩ-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6101004001000MTF(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，不和铝反应耐熔金属硅化物n+n+Poly-SiTiSi2钨塞(Tungstenplug)Metal1Metal2钨塞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θφ淀积材料Rd=(M/2πkρ2)1/2(p/T1/2)(A/4πr2)其中P－蒸汽压ρ－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•λ＝KT/Pπσ2√2σ分子直径,P压强•室温分子直径3A•λ＝1.455/P(Pa)•蒸发P＝10-4(Pa)λ=145.5米•溅射P＝0.5(Pa)λ=2.91cm散射几率和台阶覆盖•散射几率n/no=1-exp(-d/λ)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-Ag•TiNiAg•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•设备:ANELVA1013•溅射Al-Si-Cu1.2um•Pressure8mTorr•SPPower12kw•HeatTemperature150°C•Time60sec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σ=δET2/t(1-v)3R2E: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++2eCu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