07微电子工艺基础金属淀积

微电子工艺基础第7章金属淀积工艺微电子工业基础第7章金属淀积工艺本章目标：1、了解VLSI对金属化的要求2、常见金属特性比较3、Al-Si接触的常见问题及解决办法4、金属化的实现微电子工业基础第7章金属淀积工艺一、基本概念二、VLSI对金属化的要求三、金属化的实现微电子工业基础第7章金属淀积工艺一、基本概念1、金属薄膜的用途2、金属化工艺3、抗电迁移性4、可键合性5、台阶覆盖性微电子工业基础第7章金属淀积工艺一、基本概念1、金属薄膜的用途（1）在微电子器件与电路中金属薄膜最重要的用途是作为内电极（MOS栅极和电容器极板）和各元件之间的电连接。（参阅教材P273下面）（2）在某些存储电路中作为熔断丝。（参阅教材P273下面）（3）用于晶圆的背面（通常是金），提高芯片和封装材料的黏合力。（参阅教材P274下面）微电子工业基础第7章金属淀积工艺一、基本概念2、金属化工艺（1）定义把各个元件连接到一起的工艺称为金属化工艺。（P266简介部分）微电子工业基础第7章金属淀积工艺一、基本概念2、金属化工艺（2）多层金属的框架见教材P267微电子工业基础第7章金属淀积工艺一、基本概念3、抗电迁移性所谓电迁移，是指金属的个别原子在特定条件下（例如高电压或高电流）从原有的地方迁出。微电子工业基础第7章金属淀积工艺一、基本概念4、可键合性引线连接的最关键问题是可键合性与可靠性。可键合性是指两种金属依靠一定键合工艺使它们结合起来的能力。连接应有一定的强度，使用较长时间后不会脱开。微电子工业基础5、台阶覆盖性①②③微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求1、要求2、常见金属特性比较3、Al-Si接触4、掺杂的多晶Si5、难熔金属及其硅化物微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求1、要求集成电路对金属化的要求：①对n+硅和p+硅或多晶硅形成低阻欧姆接触，即金属/硅接触电阻小②能提供低电阻的互连引线，从而提高电路速度③抗电迁移性能要好④与绝缘体（如二氧化硅）有良好的附着性⑤耐腐蚀⑥易于淀积和刻蚀⑦易键合，且键合点能经受长期工作⑧层与层之间绝缘要好，不互相渗透和扩散，即要求有一个扩散阻挡层微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求2、常用金属薄膜比较（1）金膜用途：早期的金属化材料缺点：与硅的接触电阻很高，下部需要一个铂中间层；柔软，上部需要一层钼优点：导电性最好；工艺：溅射微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求2、常用金属薄膜比较（2）铜膜用途：新一代的金属化材料，超大规模集成电路的内连线缺点：与硅的接触电阻高，不能直接使用；铜在硅中是快扩散杂质，能使硅中毒，铜进入硅内改变器件性能；与硅、二氧化硅粘附性差。优点：电阻率低（只有铝的40-45%），导电性较好；抗电迁移性好于铝两个数量级；（参阅P270最上）工艺：溅射微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求2、常用金属薄膜比较（3）铝膜用途:大多数微电子器件或集成电路是采用铝膜做金属化材料缺点：抗电迁移性差；耐腐蚀性、稳定性差；台阶覆盖性较差。优点：导电性较好；与p-Si，n+-Si（5*1019）能形成良好的欧姆接触；光刻性好；与二氧化硅黏合性好；易键合。工艺：蒸发，溅射微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求3、Al-Si接触（1）问题的提出①铝硅共溶微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求3、Al-Si接触（1）问题的提出②铝硅共熔（P269中间）共熔现象：两种物质相互接触并进行加热的话，它们的熔点将比各自的熔点低得多。铝硅共熔形成合金点是577度；其实铝硅共熔大概在450度就已经开始了，而这个温度是形成欧姆接触所必需的。微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求3、Al-Si接触（1）问题的提出③尖楔现象微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求3、Al-Si接触（2）解决方案①含硅1%-2%铝合金结构（见教材P269中间）微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求3、Al-Si接触（2）解决方案①含硅1%-2%铝合金结构由于铜的抗电迁移性好，铝-铜（0.5-4%）或铝-钛（0.1-0.5%）合金结构防止电迁移，结合Al-Si合金，在实际应用中人们经常使用既含有铜又含有硅的Al-Si-Cu合金以防止合金化（即共熔）问题和电迁移问题。（P269下面）微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求3、Al-Si接触（2）解决方案②Al-掺杂多晶硅双层金属化结构微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求3、Al-Si接触（2）解决方案③铝-隔离层结构（参见教材P269和P271中间）目前也常用TiW和TiN，对于铜来说常是TiN和TaN。微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求4、掺杂的多晶Si（P273）可以对多晶硅掺杂以增加其导电性。通常掺磷（固溶度高），掺杂一般通过扩散、离子注入、或在LPCVD工序中原位掺杂。掺杂后的多晶硅和晶体硅形成良好的欧姆接触，因而具有较低的接触电阻，并且能被氧化形成绝缘层。微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求5、难熔金属及其硅化物虽然电迁移问题和共熔合金问题已经通过采用铝合金和隔离层的方法得到了解决，然而接触电阻的问题仍然是一大障碍（参见教材P271最下）难熔金属及其硅化物有较低的电阻率和接触电阻。（P272）微电子工业基础第7章金属淀积工艺二、VLSI对金属化的要求5、难熔金属及其硅化物（续）难熔金属常见的有Ti、W、Ta和Mo（P272）难熔金属硅化物常见的有TiSi2、WSi2、TaSi2和MoSi2所有的现代IC设计，尤其是MOSIC都使用难熔金属及其硅化物作为连接柱、导电层。难熔金属的一个广泛应用是在多层金属结构中填充连接孔，这个工序叫作过孔填充，填补好的过孔叫做接线柱。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现1、概述2、真空蒸发淀积3、真空溅射淀积4、金属CVD微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现1、概述金属化的实现主要通过两种方式来实现：①物理淀积（*）A：真空蒸发淀积（较早，金属铝线）B：真空溅射淀积（Al-Si合金或Al-Si-Cu合金）②LPCVD（难熔金属）微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（1）真空蒸发的三个过程①蒸发过程被蒸物质从凝聚相转化为气相。②输运过程气相物质在真空系统中的输运。③生长过程气相分子在衬底上淀积和生长。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（2）真空条件的必要性①化学因素（P274最下一段）真空度低，残余氧气和水汽，气相物质和衬底氧化。②高质量淀积层的需要真空有利于气相原子的直线运动均匀杂质淀积在衬底上影响淀积薄膜的质量微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（3）真空蒸发设备①蒸发源加热器②真空泵③装片装置④检测装置微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（3）真空蒸发设备①蒸发源加热器常用的加热器包括：A：电阻加热器B：电子束加热器C：快速电炉蒸发微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（3）真空蒸发设备①蒸发源加热器A电阻加热器（教材P275中间）分丝状、舟状、坩埚状，常用材料是钨、钽、铂缺点：a加热各个部位温度不均匀；b源金属材料的污染物或加热材料的元素也会蒸发并淀积到晶片表面。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（3）真空蒸发设备①蒸发源加热器B电子束加热器（教材P275下）采用原因：由于电阻加热器受蒸发温度限制、蒸发要求较低的污染水平，因而采用了电子束加热器。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（3）真空蒸发设备①蒸发源加热器C快速电炉蒸发能较好的解决合金的蒸发问题。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（3）真空蒸发设备②真空泵真空泵用来产生低压，参见教材P280。10-3托-10-5托：中度真空（通过机械泵获得）10-5托-10-9托：高度真空（油扩散泵、分子泵）10-9托-：极高真空（离子泵）微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（3）真空蒸发设备③装片装置为提高蒸发薄膜的均匀性和台阶覆盖性，在VLSI工艺中往往利用行星式装置。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（3）真空蒸发设备④检测装置检测装置包括真空检测和膜厚检测。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现2、真空蒸发淀积（4）蒸发多成分薄膜微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现3、真空溅射淀积（1）溅射定义溅射淀积是用核能离子轰击靶材，使靶材原子从靶表面逸出，淀积在衬底材料上的过程。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现3、真空溅射淀积（2）溅射优点溅射淀积相对于蒸发淀积的优点：（P277最下）①成分不变，适合于合金膜和绝缘膜的淀积；②改善台阶覆盖性，平面源相对于点源；③溅射形成的薄膜对表面的黏附性有一定提高；④容易控制薄膜特性。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现3、真空溅射淀积（3）直流溅射靶材接负电压成阴极，衬底呈阳极。抽真空后充以惰性气体，电子在电场的加速下，与惰性气体碰撞产生惰气离子和更多电子，而惰气离子打到靶材上时，溅射出靶原子则淀机在阳极衬底上形成薄膜。最早出现，要求靶是导电的，因此直流溅射主要用于金属淀积，溅射速率很慢。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现3、真空溅射淀积（3）射频（RF）溅射为了改善溅射，将靶材与高频发生器负极相连，气体在靶表面附近发生电离，而不需要导电的靶。（P278）不要求靶是导电的，因此射频溅射也可用于绝缘层淀积。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现4、金属CVD（1）概述LPCVD可以应用于制作金属薄膜。（P279最下面）优势：不需要昂贵的高真空泵；台阶覆盖性好；生产效率较高。用途：难控制金属；难熔金属。主要是钨微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现4、金属CVD（2）钨的用途参阅P272最下和P279最下部分。①制作隔离层；②MOS管的栅极互联；③过孔填充。微电子工业基础第7章金属淀积工艺三、金属化的实现4、金属CVD（3）钨的制备参阅P279最下部分。WF6(g)+3Si-2W+3SiF4(g)WF6(g)+2SiH4(g)-WSi2+6HF(g)+2H2(g)微电子工业基础第7章金属淀积工艺四、作业题（1）金属薄膜的用途？金属化的作用?（2）列表比较常见金属的特性。（3）说明为什么铝作为通常使用的金属薄膜，说明铜作为新一代金属薄膜的原因。（4）VLSI对金属化的要求是什么？（5）Al-Si接触的常见问题及解决办法？（6）说明难熔金属在金属连线中的作用？（7）金属化的实现方法有几种？请论述真空溅射方法。（8）说明金属CVD的优势和主要用途。微电子工艺基础