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丝鲎鬓堡笾篁丛 ! 塑2 2 站塑薹 结构肖特基接触与应力状况的研究 u u d摘要 摘要 集成电路工艺技术的发展，使得金属化工艺向着结构多层次化发展，根据 上海先进半导体公司的生产实践，本文基于t i t i n t i a i t i n 的旺微米金属化 结构，主要研究了硅化物的肖特基接触和金属化的应力状况。 基于t i s i 。低电阻率的优点，采用t i 制作肖特基二极管。在v l s i 工艺中实 现同时完成钛硅化物欧姆接触和肖特基势垒二极管( s b d ) 的制作。文中用a e s 等技术研究不同退火工艺形成的t i s i 界面形态和结构，寻找完善的工艺设计 和退火条件。此外还测量t i n a l t i n t i s i 结构的金属硅化物s b d 的有关特 性。通过工艺实验确定v l s i 中的钛硅化物最佳的制作工艺条件。 v l s i 的金属化中，应力引起的失效是个引人关注的问题，应力释放形成空 洞严重影响器件的可靠性。作为扩散阻挡层的t i n ，对铝金属层的应力产生很 大的影响，其热应力行为的研究是一个重要课题，通过硅片曲度测量法、r a m a n 光谱法，x r d 法对t i n 薄膜的应力进行了测量监控。工艺实践中发现 t i t i n 厂r i a l t 的金属化结构，经过热退火后，铝条上出现空洞。对于铝空洞 形成机理进行的研究与分析，张应力的释放是空洞的成因，而作为浸润层的t i 与a j 在热退火时，反应生成t i a l 3 ，则是引入的应力形成空洞的主导因素。 本文研究了亚微米多层次化金属化结构的界面及接触特性，说明了界面固 相反应对金属化工艺的可靠性有很大的影响，对生产起了指导作用：对生产工 艺所作的优化，成功应用于先进半导体公司的v l s i 的规模生产中，获得良好 的效果。 关键词：硅化物；肖特基势垒；应力；空洞；退火；浸润层 铝金属化工艺t m n 厂i 似1 几i n 结构肖特基接触与应力状况的研究 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt i t i n t i a i t i n s t r u c t u r e ，w ei n v e s t i g a t e d s c h o t t k y c o n t a c to fs i l i c i d e sa n ds t r e s so fm e t a l l i z a t i o n ， t h ea d v a n t a g eo fl o wr e s is t i v i t yo ft i s i 2m a k e st ib e n e f i c i a lt ob e u s et of a b r i c a t es c h o t t k yb a r r i e rd i o d e s ( s b d ) t is i l i c i d eo h m i cc o n t a c t a n ds c h o t t k yc o n t a c tc a nb eo b t a i n e da tt h es a b l et i m ei nv l s ip r o c e s s t h ea d v a n c e da n a l y s i st e c h n i q u e s1 i k ea e sh a v eb e e nu s e dt oi n v e s t i g a t e t h ei n t e r f a c eo ft i s ia f t e rd i f f e r e n ta n n e a l i n gc y c l e st oo p t i m i z et h e p r o c e s sd e s i g n a n da n n e a l i n g f a c t o r s i n a d d i t i o n ，t h e r e l a t e d p r o p e r t i e so fm e t a l l i cs i l i c i d es b d w i t ht i n a 1 t i n t i s is t r u c t u r ea r e m e a s u r e d t h e o p t i m a lp r o c e s s i n g c o n d i t i o ni nt h et is i l i c i d e m e t a l li z a t i o no fv l s ii sd e t e r m i n e dt h r o u g has e r i e so fe x p e r i m e n t s s t r e s si sv e r yi m p o r t a n tf a c t o ri na 1m e t a l l i z a t i o n c u r v a t u r e m e a s u r m e n t 、r a m a na n d x r da r eu s e dt oe v a l u a t es t r e s so fd i f f u s i o nb a r r i e r l a y e r ，t i n v o i d s f o r mb yr e l a x a t i o no ft e n s i l es t r e s sw h i c hd e c e a s o r e l i a b i l i t y o f p r o c e s s v o i d s f o r mi n a il i n e sa f t e r a n n e a l i n g i n t i t i n t i a 1 t i nm e t a l l i z a t i o n a n a l y s i n gs t r e s s i n d u c e dv o i d i n g ，i t t u r n so u tt h a tv o l u m er e d u c t i o na s s o c i a t e dw i t hi n t e r f a c i a lt i a l 3 f o r m a t i o ns h o u l db er e s p o n s i b l ef o rv o i d i n g t h ei m p r o v e m e n t sm a d ei nt h i sp a p e rh a v eb e e na c c e p t e da sr o u t i n e t e c h n i q u e si nv l s ip r o c e s s e so fa s m ca n dg a i n e ds a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e yw o r d s s i l i c i d e ：s c h o t t k yb a r r i e r ：s t r e s s ：v o i d i n g ：a n n e a l ；w e t t i n gl a y e r 铝金属化工艺t f f t i n t i a i t i q , i 结构肖特基接触与应力状况的研究 第一章 引言 第一章引言 随着集成电路工艺技术的不断发展，芯片集成度的一再提高，工艺的特征线 宽也随之减小，目前已经达到深亚微米阶段。金属化工艺也面对了更多的挑战， 传统工艺中原本可以忽略的许多问题成了现在必须解决的问题。如接触电阻的增 加、台阶覆盖率的下降、阻挡层的引入、多层互连的必要、电迁移现象的严重、 应力失效等等，由此对金属化结构和互连材料提出了新的要求。 目前产业界的金属化工艺还是以铝互连为主，在现有的铝金属化工艺上引入 新的想法，以解决工艺中的问题、满足生产的需要将是本文的工作重点。 一、半导体器件中的互连薄膜 半导体器件的性能和可靠性很大程度取决于其后端工艺，也就是金属化工艺 的实现上，而金属化最重要的因素就是材料的选择和工艺条件的控制。集成电路 金属化工艺对互连材料有以下要求： 1 导电性好，即要求材料的电阻率低 2 与衬底材料、绝缘介质粘附性好，即要求互连薄膜的内应力小、不易剥离 3 与各种薄膜元件的的接触电阻尽可能小，不与所接触的薄膜材料发生明显的化 学反应、发生互扩散或生成使电路性能恶化的金属间化合物，与硅衬底能保持 良好的欧姆接触 4 容易进行微细加工，即要求容易形成薄膜，膜表面平坦易于进行光刻 5 具有良好的焊接性能，能适宜于热压焊、超声焊、金丝球焊，工艺兼容性好 6 抗电迁移能力强、熔点高、化学性能稳定、不易被周围气氛氧化和腐蚀，对热 处理温度有高的稳定性 7 与介质薄膜、电阻薄膜及衬底的热膨胀系数基本相匹配。 8 适合进行多层布线，v i a 串联电阻小 9 对环境稳定性高，不易受水气、盐雾和某些焊剂中的还原气体的腐蚀 1 0 对所接触或连接的器件不产生有害影响。 集成电路工艺中应用较广的互连薄膜按成分分为 1 ) 低熔点单元素材料，如铝、铜 2 ) 复合导电材料 3 ) 多晶硅 4 ) 高熔点金属，如w 、m o 、t i 、t a 5 ) 金属硅化物 如上所述互连材料种类较多，既有金属又有硅化物等化合物，所以其生长方 铝金属化工艺t i t i n t i l a i t i n第一章 结构肖特基接触与应力状况的研究引言 式也种类繁多。从大的角度来看，互连薄膜的形成方法可分为物理方法( 物理气 相沉积：p h y s i c a iv a p o rd e p o s i t i o n , 简称p v d ) 和化学方法( 化学气相沉积： c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 简称c v d ) 两大类。 二、铝金属薄膜 2 1 铝金属薄膜的性质 铝金属是目前集成电路金属化工艺中最为常用的材料。铝的密度为 2 7 0 2 9 c m 3 ，熔点6 6 0 3 7 ，沸点2 4 6 7 ，汽化温度1 0 8 2 ，再结晶温度1 5 0 ， 线膨胀系数2 3 1 1 0 6 * c ，电阻率2 6 6 p q c m ，电阻温度系数4 2 0 0 p p m * c 。铝的 晶体结构为面心立方，晶格常数为0 4 0 4 1 3 n m 。在1 2 2 0 。c 时的蒸气压为1 3 3 3 p a 。 铝的导电性良好，是一种较活泼的金属，其表面易形成一层氧化物。 铝的导电性仅次于a g 、c u 和a u ，是一种优良的导电材料，在半导体器件 和集成电路中是目前用得最多的一种导电材料。铝与硅基片、s i 0 2 等介质薄膜具 有较好得附着性，铝膜与金丝、铝丝容易键合，因而成为理想的互连导电薄膜。 铝及其合金薄膜具有如下优点： 1 ) 电导率高 2 ) 与n 型、p 型硅的接触势垒低，容易形成欧姆接触 3 ) 价格低、纯度高( 9 9 9 9 9 ) ，易于蒸发或溅射，可获得纯度高的铝膜 4 ) 对抗蚀剂的选择性好，容易光刻合采用活性离子刻蚀 5 ) 与金丝、铝丝的可焊性好，适宜于热压焊和超声焊 6 ) 与硅基片、s i 0 2 绝缘层、玻璃及陶瓷基片有较好的附着性 所以，从其综合性能来看，它是集成电路中最主要的互连及电极材料。但另 一方面，由于铝的熔点比较低，自扩散系数高等原因，因而铝及其合金薄膜存在 以下缺点： 1 ) 即使在较低的温度下进行热处理，也会导致结晶尺寸和组成分布的变 化，使膜性质不稳定 2 ) 在与硅接触的界面处，由于互扩散而容易形成铝硅合金 3 ) 抗电迁移能力差，通过1 0 5 a c m 2 以上大电流密度时，易产生电迁移现象， 导致断线 4 ) 与金易形成金属间化合物，影响电路的可靠性 上述性能缺点对铝膜的结晶结构、组成分布、膜的微细构造十分敏感，且随 淀积参数和热处理条件而变化。为使铝膜能满足大规模集成电路对加工行与可靠 性等的高要求，必须注意制膜工艺对薄膜结晶结构和成分的影响。 铝金属化工艺t i f r i n f r i a l f r i n 结构肖特萋接触与应力状况的研究 第章 引言 2 2 铝金属薄膜的制造工艺 真空蒸发的方法可用于生长铝膜，真空蒸发的工艺条件与铝膜的性能和结构 密切相关。提高基片温度、增加膜层厚度，都会使铝膜晶粒尺寸增大。蒸发速率 会直接影响晶粒尺寸。增大晶粒可减小晶界面积，减少电迁移短路通道数，有利 于增强铝膜抗电迁移的能力，延长铝膜的平均寿命。但晶粒尺寸不可太大，否则 会影响铝膜细线条图形的光刻质量。 图1 给出铝膜密度与厚度、蒸发 速率、基板温度的关系，从图中看出， 基板不加热时，铝膜厚度和蒸发速率 对铝膜密度的影响不大：而当基板温 度升高时( 3 0 0 ) ，随着膜变薄而密 度迅速减小。蒸发铝膜的密度值比块 材铝的小，说明薄膜的结构是疏松的。 另外，不同的基板温度和不同的蒸发 速率，对淀积铝膜的厚度也有一定的 影响。表l 列出不同蒸发参数时铝膜 的导电性。可以看出，基板温度高于 2 5 0 ，薄膜厚度在1 5 m n 以下时，铝 膜是不导电的。 ：5 t o ? = 0 1 s _ 扫 t o 表l 薄膜导电性与蒸发工艺的关系 基燃c c )1 51 7 02 0 02 5 03 5 04 0 04 5 0 蒸发时间( s ) 1 5 附着性差导电导电高电阻率 不导电不导电不导电 6 0 附着性差导电导电导电导电导电 不导电 3 0 0 附着性差导电导电导电导电导电导电 蒸发速率还直接影响铝膜在基板上的附着性。当通过改变蒸发源温度来改变 蒸发速率时，速率从0 5 n m s 提高到1 3 7 n m s ，则铝膜的附着力增大l o 倍左右。 在采用变化源一基板距离来改变蒸发速率，且蒸发速率在i n m s 以上时，铝膜的 附着力变化不大，几乎为定值( 7 1 0 1 2 n c m 2 ) 。以钨丝电阻加热蒸发源蒸发铝 时，采用较高的源温度可获得附着力强的铝薄膜。 目前，在集成电路工艺中主要采用直流或射频溅射技术来制备铝膜，溅射时 通入a r 气后的真空室压强为0 1 一l o p a 左右。必须指出，实际使用的多为在铝 中掺少量s i 、c u 的铝合金。这时多采用磁控溅射法，靶为合金靶，或采用多源 共蒸发法，合金靶的组成与所得合金薄膜组成的对应关系如表2 所示。 铝金属化工艺t i 厂t i n 厂n ，a l 厢n 结构肖特基接触与应力状况的研究 第一章 引言 表2 磁控溅射法制成的铝合金膜的组成 材料靶材中合金的成分( )薄膜中合金的成分( ) c u3 9 53 8 1 2 0 1 a 1 合金 s i0 5 - 1o 8 6 m n0 4 1 2o 6 7 m g o 2 0 80 2 4 f e1 oo 2 1 2 0 1 4 a 1 合金 c ro 1 0o 0 2 z no 2 50 2 4 a 1 一c u sic u43 4 a s i22 3 a l s i 合金 s i22 o 1 此外，在集成电路工艺中，还发展了使金属有机物热分解的c v d 法来制备铝 膜。作为源材料可用a l ( c 。h 。) 。a l ( c 。心) 。的熔点很低，为一o 6 c ，室温下为液体， 沸点( 1 3 3 p a 时) 为4 0 。其热分解反应式如下 【( c h 3 ) 2 c h - c h 2 3 a i ：- - ， ( c t 3 ) 2 c h 2 2 a 1 h + ( c h 3 ) 2 2 c h 2( 1 ) ( c h 3 ) 2 c h 2 】2 a l h ，a l + h 2 斗 1 0 0 0 c o s i 2 1 8 2 0 n i s i ：5 0 6 0 p d ：s i3 0 3 5 p t s i2 8 - 3 5 将金属硅化物薄膜的电阻率按元素周期表规则整理后得到如图7 所示结果。从该 图可以看出电阻率随d 层电子数的增加而增大。从i vb 族金属的硅化物导v ib 族金属的硅化物的电阻率相对变化。按照从i v 周期元素导v i 周期元素的顺序减 小。这是由于原子体积的增加，相对减小了原子核对外层电子的影响的缘故。 铝金属化工艺t i t i n f f i a t i n 结构肖特基接触与应力状况的研究 第一章 s 。言 图7 还给出了各种硅化物的结晶结构，图中o 、h 、t 和c 分别代表斜方、六方、 正方和立方晶 系结构。在同 2 t 0 一周期中电阻t 0 0 率的增加与晶 体结构的变化一 有关。? 6 0 a 3 四、金属化4 0 结构及失效 2 0 机理 在超大规 。 模集成电路 ( v l s i ) 的金 t ivc rz rn bm oh ft awc on ip dp t 图7 一些金属硅化物的电阻事 属化工艺实践中发现，原本在m s i 和l s i 中可以忽视的铝硅接触电阻和金属台阶 覆盖问题，以及由于硅在铝中溶解而导致的铝硅界面退化等问题，成了在亚微米 工艺的v l s i 必须解决的问题，因此金属化工艺的改进成为亚微米v l s i 工艺实现 的重要课题。金属一半导体接触的质量可以用一个特征接触电阻率ps c 来衡量， 金属线与m o s 器件源、漏、栅的接触电阻可以简单的表示为ps c a ( 其中a 为 接触面积) 。金属和n + s i 的特征接触电阻率可以达到约1 0 1q c m 2 ，而p + s i 可 以达到2 1 0 。7q c m 2 以下。因此在器件尺寸比较大的情况下，该接触电阻与沟道 电阻相比是微不足道的。但随着器件尺寸的减小，沟道长度和接触孔面积均减小。 于是沟道电阻不断减小，而接触电阻却不断增加。从而接触电阻成为一个严重的 寄生效应，使m o s f e t 性能大为降低。金属硅化物在i c 的制造工艺中通常用作导 电接触和互联薄膜材料。针对上面的问题，目前，金属硅化物很重要的一个应用 就是降低接触电阻。通过自对准工艺，采用硅化物将整个源漏区和栅区金属化， 使金属不直接与硅接触，而先与硅化物接触。金属与金属硅化物之间具有低的接 触电阻率( ( 1 0 1 q c m 2 ) ，因此接触电阻可以在不增加接触孔大小的前提下降低 至少一个数量级，使金属硅化物在v l s i 工艺中得到广泛应用和研究。另外通过 对淀积铝工艺条件的改进和在a 1 s i 之间增加扩散阻挡层，进而解决金属台阶覆 盖问题和铝硅界面退化问题。也就是说随着线宽的减小，金属化工艺及金属化结 构都要进行相应的调整。 铝金属化工艺t i t i n f r i a l t i n 第一章 笪塑堂堑茎堡墼皇里塑坚翌塑塾塑 ! ! 童 4 1 铝硅界面退化 在集成电路工艺中，铝金属化工艺后还要进行几步热退火工艺，这些工艺对 于形成a 1 s i 欧姆接触，消除晶格损伤，改善氧化层的质量等具有不可或缺的作 用。其温度范围一般在4 0 0 6 0 0 。c 之间。此时s i 在铝薄膜中的扩散系数比在a l 块体中的要大4 0 倍左右。根据a l s i 的合金相图，在温度为5 2 5 。c 时，s i 在铝 中的溶解度约为1 ，在共晶点5 7 7 。c 时达到最大，为1 5 9 。虽然溶解在铝中 的s i 的量并不算多，但是这会造成a l 的明显下沉。s i 溶解入a 1 后会迅速沿着 铝晶粒边界向远离接触孔的方向扩散，而铝则填入了s i 所留下的空洞中。a 1 穿 入s i 的深度可到达l p m 。如果铝穿过了p n 结的位置就会形成短路失效。这就 是a l 的钉入( s p i k i n g ) 现象。 嗣岫 一一 t 鲁岫嗍 啦 柚出一 图8 铝硅接触孔的形成和相互作用 ( 1 ) 硅向铝中的溶解过程 图8 为一典型的a 1 s i 接触孔的形成过程，在淀积铝之前，先对接触孔进行 1 2 _一 铝金属化工艺t i f l i n t i a b q i n 第一章 结构肖特基接触与应力状况的研究 引言 清洗，图上的缺口为自然氧化层的缺陷。随后进行铝的淀积和刻蚀，并开始热处 理过程以形成欧姆接触，这是发生的溶解过程可大致分为以下三个阶段： 1 ) 穿通自然氧化层阶段。在热处理过程中铝将逐渐穿透s i 0 2 ，其穿透速率 与温度有密切关系： 穿透率( m s ) = 1 9 0 8 1 0 e x p ( 一2 5 6 2 k t ) 反应式为4 a 1 + 3 s i 0 2 = 2 a 1 2 s i 3 + 3 s i 当铝和硅直接接触后，硅便开始向铝中溶解 2 ) 在铝中饱和溶解阶段。温度越高、时间越长、铝膜越厚，溶解的硅越多。 当溶解的硅量达到了该温度下的饱和溶解度时，溶解便停止了。 3 ) 透坑变粗变深阶段。硅向铝中的溶解时不均匀的，而且硅不断的向铝中 扩散而远离铝硅界面并向铝表面迁移，同时在硅中留下了大量的空位， 从而加剧了接触孔处硅向铝中溶解和铝在硅中的热迁移，所以使硅上的 渗透坑变深变粗。 ( 2 ) 防止铝硅界面退化的措施 铝硅界面退化现象在结比较深的集成电路中是可以容忍的，只需考虑它对有 效结深的影响。但当工艺水平发展到亚微米时，由于器件尺寸不断的减小，必须 采用浅结以避免短沟道效应。这时，铝硅界面退化将容易导致结的钉穿，如图9 所示。 可采用a l s i 合金代替m 的方法来克服这个问题。这是比较简便的方法， 由于在铝中事先掺入了s i ，这样，在退火过程中铝中的硅已经接近饱和，阻止了 稻9 铝睾r 教艨 硅向铝中的进一步 扩散。另外，a 1 - s i 合金不仅可以减轻 接触孔的合金渗透 坑，而且提高了铝 的抗电迁移性能和 硬度( 可以减少铝划伤) 。但是，采用这种方法不能完全避免衬底硅向铝层中的 溶解，当温度升高以后，还是会有少量的s i 向铝中溶解，使铝硅接触界面附近 铝中的硅达到饱和，当温度下降之后，铝中的硅将处于过饱和状态而从硅中析出 积在铝硅接触面上，大大的增加接触电阻。还可采用在铝硅之间加阻挡层的方法， 这也是目前工艺上比较成熟的做法。用做阻挡层的通常为金属或合金，具有较高 的热稳定性、且不易与铝硅发生反应。常用的有t i 、t i n 、t i - w 、t i , t i n 。 铝金属化工艺t i t i n t i a i t i n 第一章 结构肖特基接触与应力状况的研究引言 4 2 台阶覆盖 在氧化层台阶上( 特别是在接触孔周围的台阶上) 铝膜很容易发生断裂失效， 如图l o 所示。这是由于淀积铝膜的过程中，台阶处有自掩蔽效应，使台阶处的 铝层很薄。淀积过程中，由于入射粒子达不到台阶阴面下的死角，所以容易产生 空隙。同时在平面上淀积的铝晶粒较粗，生长速率较快，获得的铝层比较厚，而 图1 0 铝在台阶处的断裂 在台阶侧面上生长的速率较 慢，获得铝层较薄。因此，台 阶处铝膜的电学、机械和化学 性能都降低了，在工作电流的 作用下容易发生铝的电迁移 失效或腐蚀失效；当受到温度 或机械应力作用时，容易出现 铝断裂。它们是铝膜在台阶处 发生断裂的根本原因。因此必 须改进工艺和金属化结构来 提高台阶覆盖率。 4 3 电迁移和应力失效 目前生产的大多数硅器件都是用铝或铝合金来实现金属化的，当半导体器件 工作时，铝条内有一定的电流通过。实践发现，这些通电铝条中的铝离子会沿着 电子流方向传输，这种传输再高温和大电流密度的作用下更加显著。经过长时间 后，铝条就会出现空洞，空洞逐渐聚集而造成断路，这就是电迁移现象。如图 1 1 所示顺电子流方向的末端将会形成铝原子堆积所产生的小丘或晶须：另一端 则由于空位的聚集而形成空洞，引起铝条开路失效。 圈1 1 电迁移导致小丘和空洞 4 铝金属化工艺币，n n t i ，a l 厂n n第一章 结构肖特基接触与应力状况的研究引言 在集成电路工艺中，铝互连导体时淀积在s i 基板上的，由于在热膨胀系数 方面铝( 2 4 xl o - s o c ) 与s i ( 7 6 1 0 - 6 ) 相差很大，在工艺过程中对基板加 热时，对铝膜将形成压应力。为缓解此应力，在铝互连薄膜中会形成突出表面韵 铝结晶小丘，并且在温度降低过程中，为缓解张应力又会形成晶粒间界之间的空 洞。这些都是造成a l 互连短路或断路，甚至铝膜剥离的原因。因此为提高铝布 线的可靠性，应设法尽量减少或消除铝膜的内应力。 五、金属化中的应力问题 铝膜中的应力由热应力和本征应力组成。热应力是由于铝膜与衬底材料的热 膨胀系数( c t e ) 的差异引起的，由于铝膜是在高于室温的温度下淀积的，冷却 后，衬底与铝膜的c t e 的不同，使金属膜中产生了热应力。本征应力是在淀积薄 0 e p o s l t t o nt e m p e p 臻t u r et t i t 。 图1 2s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e r m a l a n d i n t r i n 蝣e s l 把豁c o n t r i b u t i o n s 膜时，所产生的晶体缺陷的累积效应引起的，其大小取决于淀积条件。因而，淀 积温度t 对于薄膜的应力是有很大影响的，参数t t m 与薄膜的应力行为密切相 关，t m 为膜材料的熔点。如图1 2 所示，t t m 较小时本征应力占主导，t t m 较 大时热应力占主导，一般在t t m 大于0 3 时，主要考虑的应力因素是热应力。 衬底引入的薄膜热应力盯。可以通过以下公式进行计算： 仃。= 苦 ，也弦_ ) 其中e ，为杨氏模量，v 为材料的泊松比，口，为薄膜的热膨胀系数，a ，为衬底材 铝金属化工艺t i t i i n i l i a i f i n 第一章 结构肖特基接触与应力状况的研究 引言 料的热膨胀系数，丁为淀积温度，t 为测量时的温度。 铝的热膨胀系数为2 3 9 1 0 1 ，硅的热膨胀系数为2 6 1 0 “k ，二氧化硅 的热膨胀系数为0 5 1 0 1 k ，由于铝膜的热膨胀系数比硅，二氧化硅大一个数量 级，铝膜在高于室温的情况下淀积，冷却到室温后铝膜中存在着很大的张应力。 完整的、没有光刻过的铝膜，各处的应力应该是相同的；刻蚀图形后，铝膜中的 各处应力是不均匀的，应力会集中在铝条的边角上，因而空洞易在边角处成核长 大。 淀积在硅片上的铝膜由于热膨胀系数大于硅，铝膜中的张应力在温度升高 时，起初逐渐减小，然后随温度的升高，由张应力变为压应力。当温度升高到使 其压应力达到铝膜的屈服强度时，铝膜中的压应力保持不变而出现塑性形变。在 温度下降时铝膜中的压应力叉逐渐 h ： 减小直到重新变为张应力。经过次 l 广 循环，铝膜就经过这样一次变化。这 i lo 升赧1 种应力通过塑性形变而释放的过程l 降温 l 称为应力弛豫。图1 3 所示为铝膜的 盂l i 应力弛豫的过程。 f 茎玑5 h 。、飞 随着金属化工艺的改进，金属善i l 化多层结构也日益复杂。考虑应力问 三 l l l 题时，己不能只考虑铝金属与硅衬底=i、l 或是s i 0 2 的热膨胀的匹配问题，而是邋”广i y _ 1 要考虑到铝膜与其他的薄膜之间的 孟 i户 关系。多层金属膜的情况与单层铝是 强 l 有所不同的。例如，目前的铝金属化 - o s liili 中，通常在铝上会覆盖一层t i n 作为0 1 0 0 2 0 03 0 04 0 05 。o 钝化和抗反射层，这会使铝层表面的 沮度 原子的迁移受到钝化层的限制，因而 躅1 3a i 一2 s l 媵骑内鹰力麓越班舶变化 在铝层中维持很高的应力。本文所讨 论的金属化结构为t i t i n t i a i t i n 。采用这种金属化结构有它自身的优势： 1 ) 底层钛在接触孑l 处与硅形成硅化物，减小接触电阻； 2 ) t i n 作为阻挡层防止由于铝硅互扩而造成的铝钉效应： 3 ) 铝层下的钛是作为浸润层，以解决铝在t i n 层上浸润性不好的问题，达 到改善台阶覆盖的目的。铝在钛上有较好的流动性，用了t i 浸润层后， 提高了a l 的填充性能。亚微米工艺填充孔深宽比较高，铝填充的难度 也随之增加，要提高台阶覆盖率浸润层的作用就显得尤为重要。 铝金属化工艺t i 川n 厂n a i 厂n n第一章 结构肖特基接触与应力状况的研究引言 4 ) 铝层上覆盖t i n 的作用，就是作为钝化和抗反射层，提高光刻的准确度 复杂的金属化结构中，有时界面间存在固相反应。由于固相反应而引起的体 积缩变效应，导致应力的产生，这也是需要考虑的因素，这种效应有时可能会是 非常强，从而在金属中引入很大的应力，形成空洞或小丘。空洞的形成使金属线 易发生断路，而小丘则容易使多层金属化的金属问发生短路，另外小丘也使得铝 膜的反射系数减小，造成光刻工艺难以对准，由此对于器件的可靠性造成极大的 影响。 铝金属化工艺硎n m 师n 结构肖特基接触与应力状况的研究 第二章v l s i 中钛硅化物 自特基接触特性与退火条件 第二章v l s i 中钛硅化物肖特基接触特性与退火条件 一、工艺设备及原理 1 1 溅射工艺及设备 ( 1 ) 溅射工艺简介 在集成电路工艺中，溅射是继蒸发工艺之后用于生长金属薄膜的首要替代工 艺。溅射工艺发明于1 8 5 2 年，并于1 9 2 0 年被l a n g m u i r 开始用来作为薄膜淀积 技术。它具有比蒸发更好的台阶覆盖性能，比电子束蒸发低的辐射损伤，并且在 淀积复合材料和合金方面具有很大的优势。正由于以上优点，溅射工艺在以硅为 基础的技术中被选为首要金属淀积技术。 一个简单的溅射系统，包含一个真空腔和其中的平板等离子体反应器。在溅 射工艺中等离子腔必须置于恰当的位置上，以便高密度的离子撞击含有所需淀积 材料的靶。因此，在淀积系统中，必须将靶材料，而不是硅片，置于有最大离子 流的电极上。在一个典型的溅射系统中，正负电极之间的间距很小，通常小于 1 0 c m ，这样做的目的是为了尽可能地收集发射出的原子。通常还在腔内通入惰 性气体。腔内的气体压强保持在o 1 t o r r 左右以获得数量级为几个微米的平均自 由程。根据淀积工艺的物理特性，它可以用来淀积多种材料。淀积单元素金属时， 通常倾向于使用直流淀积( d cs p u t t e r i n g ) 。而淀积诸如s i 0 2 这样的绝缘介质时， 必须使用射频等离子( r fp l a s m a ) 。如靶材是合金或复合物时，淀积产物的组分 与靶材的组分会有轻微的不同。不过同时也发现，淀积速率低的材料会积聚在靶 的表面，从而最终淀积薄膜的组分会和靶材的体组分大致相等( 只有当靶材的温 度维持得足够低，没有固态扩散的情况下才成立) 。这些特点使得溅射不仅可以 用来淀积元素材料，而且还可阻用来淀积许多其它材料。 ( 2 ) 淀积物理 在含有低压气体的空隙两边加以一个高电压，将激发等离子体。所需的阈值 电压由下式给出 。c ( p l ) ( 1 0 9 p l + b ) f ，1 、 其中p 为腔体压强，l 是电极间距，b 为一个常数。一旦形成了等离子体，其中 的离子将向带有负电的阴极加速。这些离子撞到阴极表面后放出二次电子，二次 电子又加速离开阴极。在从阴极向阳极的途中，二次电子可能会与形成等离子体 的中性物质相撞。如果能量转换而从激发态退化，发出特有的辉光。如果能量转 换足够高的话，原子将会离化并向阴极加速。该离子流对阴极的撞击引发了溅射 过程。 带有一定能量的离子撞击材料表面会产生四种可能的结果。低能离子会从表 面弹出。能量低于1 0 k e v 时，离子会被表面吸附，能量转换为声子。能量高于 铝金属化工艺t j 厂n n 厂r i ，a j 川n 结构肖特基接触与应力状况的研究 第二章v l s i 中钛硅化物 肖特基接触特性与退火条件 l o k e v 时，离子将穿入材料深处许多原子层，绝大部分的能量释放在衬底深处， 并使其物理结构发生改变。这样高的能量通常用来进行离子注入。在这两种极限 条件之间，两种能量转换机制均会发生。离子能量的一部分以热的形式释放。剩 余的能量则导致衬底物理结构的重排。在这样的低能下，表面有效地阻止离子的 深入。大部分的能量交换发生在几个原子层的范围内。在这样的情况下，衬底原 子和原子团将从衬底表面弹出。弹出的原子和原子团带着1 0 5 0 e v 的能量离开阴 极。这个能量约为蒸发原子能量的1 0 0 倍。额外的能量使得溅射原子具有相对蒸 发原子更高的表面活动性，有利于台阶覆盖改善。在典型的淀积能量条件下，约 9 5 的弹出物为原子态，其余的绝大多数为双原予团。 在类似于注入时的高能情况下，化学键合过程可基本忽略，靶材可以简单地 看作原子的集合。在很低能量的情况下，没有对靶材的破坏，因而很容易得出一 个化学模型。然而，在淀积采用的能量下，物质移动的物理过程非常复杂，包含 了化学键的断裂和物理易位。图2 1 显示了当离子撞击材料表面时可能发生的各 腓啦啊l 嘲 h 蹦献删嘲岫 图2 1 离子撞击材料表面时可能产生的各种结果 种过程。w e h n e r 提出了一个简单模型，忽略了化学效应而将基材原子当作硬质 球，为溅射提供了至少是定性的描述。射向靶材表面的离子可能会穿过几个原子 层进入靶材内部，最终以小角度撞到一个原子而产生大角度散射。这种几乎正对 1 9 铝金属化工艺1 们i n m l 厂n n 结构肖特基接触与应力状况的研究 第二章v l s l 中钛硅化物 自特基接触特性与退火条件 的碰撞还可能释放一个靶材原子，具有大的动量且与表面垂直方向有显著的夹 角。在这样的一个过程中，靶材表面原子层的许多化学键将断裂。如果发生几个 这样的大角度碰撞，入射原子或被撞到的靶材原子有可能在平行于靶材表面的方 向获得一个大速度。然后，随后的碰撞就可能弹出原子或原子团。 ( 3 ) 磁控溅射 在等离子体上加一磁场可以使电子绕着磁力线的方向旋转。轨道运动的半径 由下式给出 r = ( m v q ) b ( 2 - 2 ) 电子的轨道运动增加了其与中性分子碰撞产生离子的几率。提高的离子密度增加 了离子和靶材的碰撞率。普通溅射系统中离子的密度为o 0 0 0 1 ，而在磁控系统 中，离子密度通常可达到0 0 3 。磁场的运用还能在较低的腔压下f 通常为 1 0 一1 0 - 3 t o r r ) j 燃离子体。 ( 4 ) 溅射设备 本文的研究工作中的溅射工艺试验所用的设备是e n d u r ah pp v d 系统。 e n d u r ah pp v ds y s t e m 是一个全自动的物理气相淀积( p h y s i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ，p v d ) 系统采用单片工艺，多腔体设计。该系统可以实现在5 ”，6 ”， 8 ”( 1 2 5 r r m a ，1 5 0 m m 和2 0 0 m m ) 的硅片上淀积用于金属互连的薄膜。它采用分级真 空系统，可在极短的时间内抽至高真空。多腔体的设计可以实现对所有工艺参数 的精确控制。 2 2 快速热退火工艺及设备 快速热退火工艺( r a p i dt h e r m a lp r o c e s s i n g 简称r t p ) 用以替代常规的炉 管( f u r n a c e ) 退火，它耗时极短，工艺的均一性较好，因此有效地减少了由于温 度梯度而引起的缺陷和扩散杂质的再分布现象；其次，r t p 设备内置的卤灯和电 弧灯提供了简单高效的能量来源，在几秒钟内完成其工艺过程，实现高效的目的。 目前已广泛的应用于消除离子注入损伤、激活杂质、形成硅化物、形成合金、玻 璃回流、氧化、氮化、c v d 。 本文也采用r t p 工艺来形成硅化物。所用的r t p 设备为h e a t p u l s e8 1 0 8 系 统是单片快速热退火处理器，它可以在惰性或腐蚀性的气氛中进行热退火。它 主要由以下这几部份组成：加热腔( 内含两组高密度钨卤灯阵列) 、s t db u s 实时 操作系统、石英隔离管、机械手和机械手控制器、气体控制设备、u l p a 过滤设 备和g u i 用户界面系统。比较以往r t p 设备，它具有以下优点：1 ) 采用机械手 铝金属化工艺t i t i n t i a i t i n 结构肖特基接触与应力状况的研究 第二章v l s i 中钛硅化物 自特基接触特性与退火条件 传送硅片，避免了皮带或滑轮等高污染源，使用u l p a 过滤装置使净化腔能维持高 洁净度：2 ) 两组相互交叉的钨卤灯阵列可以精确地控制温度，并提供更好的温 度均匀性，同时两种温度测量装置( p y r o m e t e r t h e r m o c u p l e ) 可以精确测量温 度：3 ) g u i 用户界面系统采用触屏式操作系统，操作易学明了；4 ) 系统的科学 架构设计实现操作简单、维护方便和耗能少。 二、金属硅化物肖特基接触 2 1 肖特基二极管 把功函数为中。的金属，和电子亲合能为x 。，功函数为中。的半导体结合 在一起时，在金属费米能级和半导体表面的导带底之间形成一个能带阶梯，其大 小为 中b = q 。一xs a m( 2 3 ) 其中的巾是界面电场引起的势垒降低。巾b 是正值还是负值，由中m 、x 。的大 小和巾的符号决定。以n 型半导体为例，假定中为零时，能带图如图2 2 所 i _ 一 一囊空穗蕴l 一1 。” 臣 毒对 - 一- _ l _ 。i i 戮黝 ) 盘一。恢垒穗磊千半巴俸 封才己 tb ， 盎疆半导l l ： t c 剐 匿2 - 2n 翌半导体藕盎藕接艘豹嫩带暖。 母， 机 ：( t ) 按艘藏；c b ) 接撒接触 “ x 。的情况，若形成金属一半导体结，因为m 。 q ：，所以 随着半导体中自由电子流入金属，界面附近的施主离子形成正空间电荷层，而且 这个区域的导带向上弯曲。这种自由电子的移动直要继续到金属和半导体表面 2 1 锚金属化工艺t i 厂r i n 厂r i ，a l 厂r i n 结构肖特基接触与应力状况的研究 第二章v l s i 中钛硅化物 自特基接触特性与退火条件 的费米能级相等为止，这时电子的能量分布重新达到平衡。其结果是，对于金属 中的电子，在界面处造成一个高度为中。一x 。的势垒，而在半导体的导带里产生 扩散电势v d _ ( 1 e ) ( o 。一x ：) 。因此，从p - n 结的能带图类推可知，随偏压极性不 同，通过电流的大小相差很大，因此构成整流接触。这种金属半导体的整流势 垒称为肖特基势垒。 在中。 o ：的情况下，金属和半导体的能带如图2 。2 所示，将金属和半导体 接触后，其能带如图2 2 所示，式( 2 3 ) 的o b 为负值，无论对金属的电子或者半 导体导带的电子都不存在势垒，构成欧姆接触。同样，p 型半导体和金属接触时， 在中。 x 。时，形成欧姆接触。如此 看来，按照和x 。的相对大小不同，金属和半导体界面的特性有很大的差异。由 此出发，将表中的x ；和中。比较，就可以判断要得到肖特基势垒或欧姆接触， 应采用什么样的材料组合才恰当。 金属一半导体接触有与p 一1 1 结完全相同形式的整流特性。如果反向偏压相当 高，就会出现击穿现象，其击穿机理和p n 结相同。然而，p n 结的扩散电流是 由少数载流子在注入和复合引起的；相反，在肖特基势垒中，多数载流子起主要 作用。因此，在作为应用器件时，其工作性能有本质的差异。电流几乎完全由电 子携带( 假如是n 型半导体) 这是正向肖特基势垒导电的一个重要特点，甚至在半 导体只是轻掺杂时也如此。这种情况与p - n 结相反，在p n 结中电流主要由重掺 杂- - n 发出的载流子携带。因此，在n 型材料上做成的肖特基结，相当于一个p 型- - n 掺杂较轻的p n 结，在这类p - n 结上加正偏压时，电子注入到p 型一侧。 如果偏压突然反转，在结呈现高阻状态之前，必先把注入的电子赶走，因此在反 向以后的短暂时间内，有可观的反向电流流过，这种现象称为少数载流子的储存。 在肖特基二极管中，与此类似的过程是电子注入到金属中，如果偏压突然反转， 电子原则上也能返回半导体中，但这要求电子仍然保持有足以越过势垒的能量。 在正向偏压下，当电子注入到金属中时，这些电子的能量比金属费米能级高出一 个势垒高度，从这个意义上说，它们是热电子。在金属中它们与其它电子碰撞， 这种附加能量可在1 0 1 4 秒内很快消失，因此反向偏置后，它们只能在这一数量 级的时间内返回到半导体中，所以p - n 结的少数载流子储存效应在肖特基二极管 中实际上是不存在的，其恢复时间由其他方面的因素决定。在p - n 结中- d , 部分 电流由空穴携带。在肖特基结中，这种情况也发生，但其百分比更小( 典型情况 下是电子电流的1 0 。4 的数量级) 。这一方面是由于通常电子电流的势垒高度比空 穴流的势垒高度小，另一方面是因为热发射过程实质上要比确定空穴电流的扩散 过程更为有效。当偏压突然反转时，这种被称为空穴注入的过程也能引起电流的 瞬态。虽然空穴寿命比热电子失去它们过剩能量所花费的时间大几个数量级，但 铝金属化工艺t i f f i n f i f f a i f f i n 结构肖特基接触与应力状况的研究 第二章v l s i 中钛硅化物 肖特基接触特性与退火条件 其注入比如此之小，以致它对恢复时间的贡献，与p - n 结的恢复时间相比仍然是 可以忽略的。实际上，肖特基二极管的恢复时间由r c 时间常数确定，而不由电 子过程确定。因此，肖特基二极管被广泛地用作管速开关管和微波混频管。为保 持电中性，在p - n 结中注入到轻掺杂一侧的少数载流子使多数载流予增加。这一 过程称之为电导率调制。它在降低高压整流器的串联电阻中起重要作用。原则上 说，在肖特基二极管中，由于空穴的注入也能发生电导率调制，但注入比很小， 一般情况下是可以忽略的，但在高电半导体与金属形成的高势