金属化铝膜蒸镀原理及特性工艺技术

1、金属化铝膜蒸镀原理及特性工艺技术第1页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四目录:一、蒸发台蒸镀原理；二、铝膜反射率；第2页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四一、蒸发台蒸镀原理半导体蒸发工艺是指在高真空条件下，将被淀积材料加热到发出蒸气，蒸气原子以直线运动通过腔体到达圆片表面，堆积为薄膜；第3页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四MARK-50蒸发台外观：第4页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四高真空一般由扩散泵或冷泵实现，扩散泵系统一般有冷阱，用以防止泵油蒸气反流到腔室；第5页，共88页，2022年，5月20日

2、，13点18分，星期四蒸发台加热系统一般有三种：电阻、电感和电子束。电阻加热系统用一个小线圈和一台可调变压器，将要蒸发材料放入加热灯丝中加热蒸发，但加热灯丝本身易造成沾污，且常常没有合用的加热难熔金属的电阻加热元件；电感加热系统将蒸发材料放入一个BN制成的坩锅中，一个金属线圈绕在坩锅上，通过这个线圈施加RF功率，RF射频在材料中感应出涡流电流使其加热，线圈本身用水冷，保持温度在100，但是坩锅本身材料的沾污仍然是一个严重问题；第6页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四电子束蒸发系统包括一个加热钨丝环，它围绕着一根相对钨丝处于高偏压的材料细棒周围，从钨丝射出的电子轰击材料棒，

3、提高材料末端的温度，从而产生出蒸发原子束，高能束流在一个强磁场下弯曲270度，射到材料表面，达到蒸发目的；电子束加热系统热电子灯丝易成为沾污源，并且对于硅基材料，易造成辐射损伤；第7页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四如图所示：第8页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四蒸发材料被加热蒸发后，在真空腔室中蒸气压非常高，因此我们可得到可接受的淀积速率；淀积速率通常用石英晶体速率指示仪测量，所用器件是一个谐振器板，当晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的质量将使得频率偏移，由测得得频率移动可得出淀积速率；第9页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期

4、四蒸发的一个重要限制是台阶覆盖，一种常用的改进台阶覆盖的方法是在蒸发过程中旋转圆片，为此，蒸发台内用于承载圆片的半球形夹具，被设计成能使圆片环绕蒸发器顶部转动，此时，侧壁上的淀积速率仍低于平坦表面，但是它成为轴向均匀的。第10页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四旋转行星盘：第11页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四台阶覆盖：第12页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四二、铝层反射率对半导体器件制造很重要的变量是淀积膜的反射率，反射率低的膜常常呈现雾状或乳白色，这些膜的大晶粒会造成光刻困难，或看不到前一层的对准记号，或由于铝晶粒散射

5、出杂散光。第13页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四已经发现反射率服从下列关系： Re-4/2 其中是均方根表面粗糙度，是入射波长，通常 。另外铝膜下面的材料也会影响淀积膜的形貌，因而，也会影响膜的镜面反射，大概服从以下关系式： R（1-0）/（1+0）其中1为铝膜的光学导纳，0为衬底的光学导纳；第14页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四影响反射率因素影响铝基金属化层镜面反射的因素包括：衬底温度膜厚度腔室内残余气体颗粒第15页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四衬底温度对反射率影响有两个方面：一是衬底温度高，常常会形成大的晶粒，导

6、致薄膜的形貌较差；二是到达圆片的原子在它们化学成键成为薄膜的一部分之前，能沿表面扩散，加热圆片的温度会极大的增加表面扩散长度；第16页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四腔室内残余气体尤其是N2会严重恶化反射率；另外真空腔室中大的颗粒也将影响反射率；此问题可通过提高泵体能力，即提高真空度及保持腔室内洁净度很好的解决；第17页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四集成电路工艺技术讲座第八讲金属化（Metallization）第18页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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

7、第19页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四金属化概论第20页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四金属化概论互连线金属和硅的接触欧姆接触 Schottky 二极管IC对金属化的要求第21页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四互连线时间常数RC延时 LWddoPoly L=1mm d=1um =1000cmSiO2 do=0.5umRC=Rs(L/w)(Lwo/do) =Rs L2 o/do = (/d) (L2 o/do) =0.07ns第22页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四互连线CMOS倒相器（不考虑互连线

8、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。第23页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四金属半导体接触qmqq (m-)qsEcEFEvqmqqVbi=q(m-s)qsEcEFEv势垒高度qBn= q (m-)第24页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四金属半导体接触n-Si第25页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四Schottky势垒(Diode) JF10-110-2(A/cm2)10-310-410-500.10.20.3V

9、F (V)W-SiJsJ=Jsexp(qV/kT)-1Js=A*T2exp(qBn/kT) 第26页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四Schottky势垒(Diode)Pt-Si第27页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四欧姆接触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第28页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四接触电阻理论和实际值第29页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四IC对

10、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第30页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四一些金属膜参数金属膜最大温度(C)电阻率(ucm)Al/Al-Si4202.7W7005.6Ti110041Cu8001.7TiSi290013-25TiW45065-75n+-Si900500第31页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四金属化系统第32页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四金属化系统纯铝系统铝/硅系统铝/硅/铜系统铜系

11、统阻挡层金属耐熔金属硅化物钨塞背面金属化第33页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四纯铝系统铝， 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第34页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四铝硅相图第35页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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第36页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四纯铝系统缺点电迁移现象

12、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第37页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四电迁移现象 (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第38页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四电迁移现象MTF=AJ-n exp-EA/kTMTF=20 年Jmax=105A/cm2第39页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四含硅量对铝膜寿命影响1000100102.02.53.0E-3(k)(hr)A

13、l-1.8%SiAl-0.3%SiPure Al1/TMTF第40页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四铝-硅接触形成尖刺AlSiO2PN结Si-sub第41页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四Al-Si-Cu系统10 100 400 1000 MTF (hr) Pure AlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175积累失效9070503010%第42页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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第43页，共88页，2022年，5月20日

14、，13点18分，星期四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第44页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四Al/W-Ti/Pt/Si系统WTiAl接触层PtSi阻挡层导电层第45页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四耐熔金属硅化物 (Silicide)WSi2,MoSi2,TiSi2,TaSi2,PdSi2,CoSi -SiliSide 比

15、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，不和铝反应第46页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四耐熔金属硅化物n+n+Poly-SiTiSi2第47页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四钨塞 (Tungsten plug)Metal 1Metal 2钨塞ILD第48页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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,

16、第49页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四PVD形成金属膜蒸发和溅射第50页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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）电镀第51页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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，形成固体膜第52页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四蒸发原理蒸汽压曲线第5

17、3页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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第54页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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第55页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四溅射原理入射离子能量和产额第56页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四溅射原理轰击离子原子序数和产额第57页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四平均自由程腔体中原子分子不发生碰撞的平均距离KT/P

18、22 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第58页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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第59页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四蒸发系统第60页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四蒸发设备(MARK-50)第61页，共88页，2022年，

19、5月20日，13点18分，星期四坩埚电阻加热第62页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四坩埚电子束加热第63页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四多组分薄膜的蒸发第64页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四蒸发工艺参数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第65页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四蒸发膜台阶覆盖加热并旋转低衬底温度，无旋转第66页，共88页，20

20、22年，5月20日，13点18分，星期四溅射系统第67页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四溅射设备（ILC-1013）第68页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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%第69页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四磁控溅射系统真空泵氩入口DC 电源磁铁靶阴极第70页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四S-Gun磁控溅射源第71页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星

21、期四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第72页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四溅射刻蚀（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，硅和金属接触良好第73页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四溅射工艺参数设备:ANELVA1013溅射Al-Si-Cu 1.2umPressure 8 mTorrSP Power 12kwHeat Temperature 150C Time 60sec第74页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四溅射膜台阶覆盖第75页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四溅射膜晶粒结构第76页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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：膜厚第77页，共88页，2022年，5月20日，13点18分，星期四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