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）,金属化的作用,互连线金属和硅的欧姆接触MOSFET的栅极Schottky二极管,互连线,时间常数RC延时,L,W,d,do,PolyL=1mmd=1um=1000cmSiO2do=0.5umRC=Rs(L/w)(Lwo/do)=RsL2o/do=(/d)(L2o/do)=0.07ns,互连线,CMOS倒相器（不考虑互连线延时）3umRC延时1ns2um0.5ns1um0.2ns0.5um0.1ns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,qm,q,q(m-),qs,EcEF,Ev,qm,q,qVbi=q(m-s),qs,EcEF,Ev,势垒高度qBn=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=Jsexp(qV/kT)-1Js=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)1/2Bn/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,纯铝系统铝/硅系统铝/硅/铜系统铝/W-Ti/Pt/Si系统铜互连耐熔金属硅化物背面金属化倒装焊金属化,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,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,%,Al/W-Ti/Pt/Si系统,WTi,Al,接触层PtSi,阻挡层,导电层,铜布线,优点电阻率低抗电迁移能力强最大电流密度是AlCu的十倍缺点刻蚀性差,耐熔金属硅化物,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,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,倒装焊(FlipChip),PbSn凸点,CuorAu,SiO2,Al,倒装焊(FlipChip),带凸点的硅芯片,PCB板或MCM基板,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）,PVD原理,成核三阶段1.固相变成气相2.气相分组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3A1.455/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,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100C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,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,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,ANELVA1013设备，溅射Al-Si-CuPressure8mTorrSPPower12kwHeatTemperature150CTime79min,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