IC工艺技术8 - 金属化.ppt

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 L W d do PolyL 1mmd 1um 1000 cmSiO2do 0 5umRC Rs L w Lw o do RsL2 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 q m q q m q s EcEF Ev q m q qVbi q m s q s EcEF Ev 势垒高度q Bn q m 金属半导体接触 n Si Schottky势垒 Diode JF 10 1 10 2 A cm2 10 3 10 4 10 5 0 0 1 0 2 0 3 VF V W Si Js J Js exp qV kT 1 Js A T2exp q Bn 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 q Bn kT 对高掺杂浓度硅 发生隧道穿透电流Rc exp 4 mn s 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 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 0 2 5 3 0 E 3 k hr Al 1 8 Si Al 0 3 Si PureAl 1 T MTF 铝 硅接触形成尖刺 Al SiO2 PN结 Si sub Al Si Cu系统 101004001000MTF hr PureAl Al 4 Cu J 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 TiN Al W Ti Pt Si系统 W Ti Al 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 Si TiSi2 钨塞 Tungstenplug Metal1 Metal2 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 2 k 2 1 2 p T1 2 A 4 r2 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 P 2 2 分子直径 P压强室温分子直径3A 1 455 P Pa 蒸发P 10 4 Pa 145 5米溅射P 0 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 AgTiNiAg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 2umPressure8mTorrSPPower12kwHeatTemperature150 CTime60sec 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 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