工艺技术_集成电路工艺技术讲座

集成电路工艺技术讲座 第八讲 金属化金属化 （Metallization）（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 L W d do Poly L=1mm d=1um =1000cm SiO2 do=0.5um RC=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。 金属半导体接触 qm q q (m-) qs Ec EF Ev qm q qVbi=q(m-s) qs Ec EF Ev 势垒高度qBn= q (m-) 金属半导体接触 金属功函数和势垒高度 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 3456 金属功函数(eV) 势垒高度(eV) 系列1 Mg Al Ag W Au Pb Pt n-Si Schottky势垒(Diode) JF 10-1 10-2 (A/cm2) 10-3 10-4 10-5 0 0.10.2 0.3 VF(V) W-Si Js J=Jsexp(qV/kT)-1 Js=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/kT) 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 500900n+-Si 65-75450TiW 13-25900TiSi2 1.7800Cu 411100Ti 5.6700W 2.7420Al/Al-Si 电阻率(ucm)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 2.7-3-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-nexp-EA/kT MTF=20 年Jmax=105A/cm2 含硅量对铝膜寿命影响 1000 100 10 2.02.53.0 E-3(k) (hr) Al-1.8%Si Al-0.3%Si Pure Al 1/T MTF 铝-硅接触形成尖刺 Al SiO2 PN结 Si-sub Al-Si-Cu系统 610 100 400 1000 MTF (hr) Pure AlAl-4%Cu J=4E6A/cm2 T=175 积累失效 90 70 50 30 10 % 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,TiN Al/W-Ti/Pt/Si系统 WTi Al 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-Si TiSi2 钨塞 (Tungsten plug) Metal 1 Metal 2 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 淀积材料 Rd=(M/2k2)1/2(p/T1/2) (A/4r2) 其中 P蒸汽压 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