集成电路工艺第八章：蒸发与溅射

第八章：蒸发与溅射8.1引言半导体传统金属化工艺—物理气相沉积（PVD）PVD的发展：灯丝蒸发→电子束蒸发→溅射SSI、MSI→电子束蒸发LSI以上→溅射金属沉积系统：1.蒸发2.溅射3.金属CVD4.铜电镀8.2蒸发工艺原理蒸发的概念蒸发是在高真空中，把坩锅中的固体成膜材料加热并使之变成气态原子沉积到硅片上的物理过程。工艺目的在IC晶片上形成金属互连结构成膜材料的加热方式：蒸发器分为电阻加热、电子束加热、高频感应加热等三种蒸发的本底真空通常低于10－6Torr。简单的蒸发系统电子束蒸发的概念：电子束蒸发是电子束加热方式的蒸发，是在高真空中，电子枪发出电子经系统加速聚焦形成电子束、再经磁场偏转入射到坩锅的成膜材料上加热，并使之变成气态原子沉积到硅片上的物理过程。在蒸发技术中，电子束蒸发占主流。电子束蒸发系统电子束蒸发系统电子束蒸发设备：电子束蒸发系统的组成：1.高压电源系统2.真空系统3.电子加速聚焦偏转系统4.工艺腔5.水冷坩锅系统（通常为带旋转的四坩锅）6.载片架电子束蒸发过程1.在高真空腔中，电子枪发射的电子经加速获得足够的动能并聚焦形成电子束。2.电子束经磁场偏转，向成膜材料轰击加热并使之蒸发3.成膜材料蒸发出的原子或分子在高真空环境下的平均自由程增加，并以直线运动形式撞到硅片表面凝结形成薄膜。蒸发的优点：1.金属膜沉积速率高，常用于功率器件的厚金属化电极（厚度达到5.0μm）蒸发的缺点：1.台阶覆盖能力差2.不能沉积金属合金因缺点1，大规模IC工艺中，蒸发被溅射所替代8.3溅射工艺原理溅射的概念：溅射是在高真空下，利用高能粒子撞击具有高纯度的靶材料表面，撞击出的原子最后沉积在硅片上的物理过程。在溅射工艺中，本底真空通常低于10－7Torr，工作真空10－3Torr左右。选惰性气体氩Ar离子为高能粒子，不与其它物质发生化学反应，是重离子获得的能量大。工艺目的：同蒸发溅射过程溅射有6个基本步骤：1.在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有负电势的靶材料加速2.在加速中离子获得动能，并轰击靶3.离子通过物理过程从靶表面撞击出（溅射）原子4.被撞击出（溅射）的原子迁移到硅表面5.被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成膜。薄膜具有与靶相同的材料组分6.多于粒子由真空泵抽走溅射过程溅射过程溅射离子的能量范围0.5KEV～5.0KEV能量太小轰击不出来靶材料原子，能量太大产生氩离子注入现象。溅射率（溅射产额）每个入射离子轰击出的靶原子数影响溅射率的因素1.轰击离子的入射角2.靶材料的组分和它的几何因素3.轰击离子的质量4.轰击离子的能量溅射的优点：1.台阶覆盖能力好2.能沉积金属合金（成膜组分与靶材组分相同）溅射的缺点：1.溅射速率低溅射系统分类1.RF（射频）溅射系统2.磁控溅射系统3.IMP（离子化的金属等离子体）系统RF（射频）溅射系统缺点：溅射速率低。磁控溅射系统是现代IC制造应用最广泛的系统。IMP的优点：填充高深宽比的通孔和狭窄沟道能力强，满足深亚0.25μm的应用。RF（射频）溅射系统磁控溅射的概念磁控溅射是一种高密度等离子体溅射，是利用靶表面附近的正交电磁场使电子平行靶表面做回旋运动，从而大大增加了与氩原子的碰撞几率，显著地提高了等离子体区的Ar离子密度，使溅射速率成倍增加。在溅射技术中，磁控溅射占主流。磁控溅射的优点：1.比普通溅射的溅射速率提高了5～40倍2.使用射频电源，能溅射介质3.溅射时基片温升低（基本上不受电子轰击，二次电子损伤小）磁控溅射系统的组成磁控溅射设备非常复杂，系统主要由7个部分组成：1.高压射频电源及电气系统2.真空系统3.工艺腔4.靶组水冷系统5.传片系统6.载片架7.氩气供给系统磁控溅射系统磁控溅射系统磁控溅射靶组件8.4蒸发和溅射的比较特点优点缺点电子束蒸发1.成膜速率高（能蒸发5微米厚的铝膜）1.台阶覆盖差2.不能沉积合金材料磁控溅射1.能沉积复杂的合金材料2.能沉积难熔金属和非金属3.台阶覆盖好4.很好的均匀性控制5.能多腔集成去除表面沾污（原位反溅刻蚀）1.成膜速率适中2.设备复杂昂贵8.5先进的金属化技术芯片金属化技术术语1.金属化是在芯片制造过程中，在绝缘介质膜上沉积金属膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和孔填充塞的过程。2.互连指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用以传输电信号3.接触是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表面的连接4.通孔是穿过各层介质层从某一金属层到相邻的另一金属层形成电通路的开口5.填充薄膜是指金属薄膜填充通孔以便在两层金属层之间形成电连接。现代集成电路对金属膜的要求1.电阻率低：能传导高电流密度2.粘附性好：能够粘附下层衬底实现很好的电连接，半导体与金属连接时接触电阻低3.易于沉积：容易成膜4.易于光刻与刻蚀：对下层衬底有很高的选择比，易于平坦化5.可靠性高：延展性好、抗电迁徙能力强6.抗腐蚀性能好7.应力低：机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属线断裂、空洞。集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率集成电路金属化技术常用的金属种类铝铝铜合金铜阻挡层金属硅化物金属填充塞铝铝的优点1.电阻率低（2.65μΩ.cm）2.与硅和二氧化硅的粘附性好3.与高掺杂的硅和多晶硅有很好的欧姆接触（合金化温度450～500℃）4.易于沉积成膜5.易于光刻和刻蚀形成微图形6.抗腐蚀性能好，因为铝表面总是有一层抗腐蚀性好的氧化层（Al2O3）7.铝的成本低铝的缺点1.纯铝与硅的合金化接触易产生PN结的穿刺现象2.能出现电迁徙现象结穿刺现象在纯铝和硅的界面加热合金化过程中（通常450～500℃），硅将开始溶解在铝中直到它在铝中的浓度达到0.5％为止，硅在铝中的溶解消耗硅且由于硅界面的情况不同，在硅中形成空洞发生PN穿刺现象。结穿刺引起PN结短路。解决结穿刺问题的方法：1.采用铝－硅（1~2%）合金或铝－硅（1~2%）－铜（2~4%）合金替代纯铝；2.引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。电迁徙现象当金属线流过大密度的电流时，电子和金属原子的碰撞引起金属原子的移动导致金属原子的消耗和堆积现象的发生，这种现象称为电迁徙现象。电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近的金属线短路。纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发生电迁徙现象。控制纯铝电迁徙现象的办法是采用铝－铜（0.5~4%）合金替代纯铝电迁徙现象的SEM照片电迁徙欧姆接触金属与硅接触时，该系统的I－V特性曲线符合欧姆定律，这样的接触被称为欧姆接触。铜在深亚微米IC制造中，RC延迟是一个突出问题IC的集成度↑特征尺寸↓→金属线的寄生电阻↑→RC延迟↑→IC的功耗↑性能↓在深亚微米技术中，由于铜金属线的寄生电阻比铝小，铜互连将取代铝互连铜的优点1.电阻率更低（1.678μΩ－cm）使相同线宽传导的电流大2.降低动态功耗：由于RC延迟减小3.更高的集成度：由于线宽减小4.可靠性高：抗电迁徙5.更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少20％～30％6.易于沉积（铜CVD、电镀铜）7.铜的成本低铜的缺点1.不能干法刻蚀铜2.铜在硅和二氧化硅中扩散很快，芯片中的铜杂质沾污使电路性能变坏3.抗腐蚀性能差，在低于200℃的空气中不断被氧化工艺措施1.采用大马士革工艺回避干法刻蚀铜2.用金属钨做第一层金属解决了电路底层器件的铜沾污大马士革工艺大马士革是叙利亚的一个城市名，早期大马士革的一位艺术家发明了在金银首饰上镶嵌珠宝的工艺，该工艺被命名为大马士革。集成电路的铜布线技术和大马士革工艺相似。传统Al布线工艺与大马士革Cu工艺的差别传统布线工艺与双大马士革工艺的差别阻挡层金属阻挡层金属的作用1.提高欧姆接触的可靠性；2.消除浅结材料扩散或结穿刺；3.阻挡金属杂质的扩散（如铜扩散）阻挡层金属的基本特性1.有很好的阻挡扩散特性2.低电阻率具有很低的欧姆接触电阻3.与半导体和金属的粘附性好，接触良好4.抗电迁徙5.膜很薄且高温下稳定性好6.抗腐蚀和氧化常用的阻挡层金属1.Ti＋TiN2.Ta＋TaN（主要用于铜布线）硅化物硅化物是在高温下难熔金属（通常是钛Ti、钴Co）与硅反应形成的金属化合物（如TiSi2、CoSi2）硅化物的作用1.降低接触电阻，2.作为金属与有源层的粘合剂。硅化物的基本特性1.电阻率低（Ti：60μΩ－cm，TiSi2：13～17μΩ－cm）2.高温稳定性好，抗电迁徙性能好3.与硅栅工艺的兼容性好常用的硅化物1.硅化钛TiSi22.硅化钴CoSi2（0.25um及以下）CMOS结构的硅化物自对准金属硅化物的形成金属填充塞0.18μmSTI硅化钴6层金属IC的逻辑器件本章习题书中第12章：1、6、11、13本章作业1.简要描述溅射（即回答溅射的概念）2.列出并解释溅射过程的6个步骤，并写出溅射的优点3.列出并描述金属用于IC制造的7种要求