集成电路工艺第八章：蒸发与溅射

1、第八章：蒸发和溅射，8.1引言，半导体传统金属化工艺物理气相沉积(PVD) PVD的发展：灯丝蒸发电子束蒸发溅射SSI，MSI电子束蒸发LSI以上溅射金属沉积系统：1.蒸发2 .溅射3 .金属CVD 4.镀铜工艺目的：在IC晶片上形成金属布线结构成膜材料的加热方式：蒸发器有电阻加热、电子束加热、高频感应加热三种蒸发的背景真空通常低于106Torr。 简单的蒸发系统、电子束蒸发的概念：电子束蒸发是电子束加热方式的蒸发，在高真空中，从电子枪发射电子束，通过系统加速聚焦，形成电子束，通过磁场偏压旋转到坩埚的成膜材料中加热，成为气体原子堆积在硅晶片上的物理的在蒸发技术中，电子束的蒸发是主流。 电子束蒸

2、发系统、电子束蒸发系统、电子束蒸发设备：电子束蒸发系统的构成：1.高压电源系统2 .真空系统3 .电子加速聚焦偏转系统4 .处理室5 .水冷坩埚系统(通常是带旋转的四个坩埚)6.载体、电子束蒸发2 .电子束在磁场下偏转，撞击成膜材料加热使其蒸发3 .成膜材料蒸发的原子和分子在高真空环境下的平均自由行程增加，以直线运动的形式撞击硅晶片表面，凝结形成薄膜。 蒸发的优点：1.金属膜的堆积速度高，功率器件经常使用的厚的金属化电极(厚度达到5.0m )的蒸发的缺点：1.台阶复盖能力差2 .无法堆积金属合金的缺点1 .在大规模的IC工艺中，蒸发取代溅射，8.3溅射工艺溅射的概念：溅射是在高真空下使高纯度靶

3、材表面撞击高能量粒子，撞击的原子堆积在硅晶片上的物理过程。 在溅射工艺中，背景真空通常低于107Torr，工作真空为103Torr左右。 惰性气体的氩Ar离子是高能粒子，不与其他物质发生化学反应，重离子得到的能量很大。 工艺目的：同蒸镀、溅射工艺的溅射有6个基本步骤：1.在高真空室的等离子体中产生正离子，加速为具有负电位的靶材料2 .加速中离子获得动能， 碰撞靶的3 .离子通过物理的工艺从靶表面碰撞(溅射)原子，4 .碰撞(溅射)的原子移动到硅表面5 .溅射的原子在硅表面凝聚形成膜。 薄膜与靶相同的材料组成6 .粒子被真空泵吸引，溅射过程、溅射过程、溅射离子的能量范围0.5KEV5.0KEV的

4、能量太小，无法与靶材料原子碰撞，能量太大，会发生氩离子注入现象。 溅射率(溅射产量)每个入射离子碰撞的靶原子数影响溅射率的因素1 .碰撞离子的入射角2 .靶材料的组成及其几何因素3 .碰撞离子的质量4 .碰撞离子的能量， 溅射的优点：1.阶梯复盖能力好的2 .能堆积金属合金(成膜组成与靶组成相同)溅射的缺点：1.溅射率低的溅射系统分类1. RF (射频)溅射系统2 .磁控溅射系统3. IMP (电离磁控溅射系统是现代集成电路制造应用最广泛的系统。 IMP的优点：深长宽比的贯通孔和填充狭窄通道的能力强，满足深亚0.25m的应用。 RF(RF )溅射系统、磁控溅射的概念磁控溅射是高密度等离子体溅射

5、，利用靶表面附近的正交电磁场使电子平行靶表面旋转运动，大幅度增加与氩原子的碰撞概率，提高等离子体区域的Ar离子密度在溅射技术中，磁控管溅射是主流。磁控溅射的优点：1.比通常的溅射速度高540倍2 .能够使用高频电源溅射电介质3 .溅射时序片的温度上升低(基本上不受电子冲击，二次电子损伤小)， 构成磁控溅射系统的磁控溅射设备非常复杂的系统主要由7部分组成：1.高压高频电源和电气系统2 .真空系统3 .处理室4 .目标组水冷系统5 .传输系统6 .载体反射磁控溅射系统，磁控溅射系统，磁控溅射靶组件，8.4蒸发与溅射比较，8.5先进的金属化技术，芯片金属化技术术语1 .金属化在芯片制造过程中在绝缘介

6、质膜上堆积金属膜，然后2 .为了传递电信号，对铝、多晶硅、铜等电气材料的布线进行布线。 3 .接触是指在硅芯片内的器件与第一金属层之间的硅表面上的连接。 通孔是指从贯通各层的电介质层的金属层到相邻的其他金属层上形成电路的开口部。 填充膜是指金属薄膜填充通孔，在两层金属层间形成电连接。 现代集成电路对金属膜的要求是1 .电阻率低：能传导高电流密度2 .密合性好：能使下层基板密合而实现良好的电连接，连接半导体和金属时的接触电阻低3 .容易堆积：容易成膜.4.光刻和蚀刻容易：下层容易平坦化5 .可靠性高：延展性好，耐电迁移性高6 .耐腐蚀性高7 .应力低：机械应力低，降低硅片的翘曲，避免金属线的断线

7、、空洞。 集成电路金属化技术常用的金属熔点和电阻率，集成电路金属化技术常用的金属种铝铜合金铜阻挡金属硅化物金属填充塞铝的优点1 .电阻率低(2.65.cm ) 2 .硅和二氧化硅的密合性好3 .高掺杂硅和多晶硅的良好欧姆接触(合金化温度450500) 4.成膜容易5 .光刻和蚀刻容易形成微图案，6 .耐腐蚀性好的铝的表面总是耐腐蚀性好7 .铝成本低的铝的缺点1 .纯铝和硅的合金化接触容易发生PN结的穿刺现象2 .发生电迁移现象，接合穿刺现象在纯铝和硅的界面加热合金化过程(通常为450500 )中， 硅在铝中的浓度达到0.5之前开始溶解于铝中，硅溶解消耗铝中的硅，根据硅界面的情况在硅中形成空洞，

8、发生PN穿刺现象。 接合穿刺会引起PN结短路。 解决接合穿刺问题的方法：1.采用铝硅(12% )合金或铝硅(12% )铜(24% )合金代替纯铝2 .导入阻隔层金属化抑制硅扩散。 电迁移现象当高密度的电流流过金属线时，电子和金属原子的碰撞引起金属原子的移动，产生金属原子的消耗和堆积现象的现象称为电迁移现象。 电气移动现象是金属线开放，相邻的两条金属线短路。 纯铝布线在大电流密度下工作时，最容易发生电迁移现象。 控制纯铝电迁移现象的方法是采用铝铜(0.54% )合金代替纯铝，当电迁移现象的SEM照片、电迁移、欧姆接触金属与硅接触时，该系统的IV特性曲线符合欧姆规律，这种接触符合欧姆定律铜在深亚微

9、米IC制造中，RC延迟是有问题的IC的集成度的特征尺寸的金属线的寄生电阻RC延迟IC的功耗性能在深亚微米技术中，铜金属线的寄生电阻比铝小， 铜配线代替铝配线的铜的优点是1 .电阻率更低(1.678cm )，因此在相同线宽中传输的电流降低2 .动态功耗降低： RC延迟3 .更高的集成度：线宽4 .可靠性高：耐电迁移比5 .少2030 6 .容易堆积(铜CVD，镀金)7.铜的成本低的铜的缺点1 .不能干蚀刻铜2 .铜在硅和二氧化硅中迅速扩散，芯片中的铜的杂质被污染，电路性能变差3 .耐腐蚀性差， 在200以下的空气中持续氧化的1 .采用大马士革技术避免干蚀刻的2 .以金属钨为第一层金属解决了电路板

10、器件的铜污染，大马士革技术是叙利亚的城市名，初期大马士革的艺术家在金银珠宝中嵌入了珠宝集成电路的铜布线技术与大马士革技术相似。 传统的Al布线工艺和大马士革Cu工艺的不同，传统的布线工艺和双大马士革工艺的不同，阻挡金属阻挡金属的作用1 .提高欧姆接触的可靠性2 .消除浅结材料的扩散或接合穿刺3 .阻挡金属杂质的扩散(如势垒金属的基本特性1 .良好的势垒扩散特性2 .低电阻率低欧姆接触电阻3 .半导体与金属的密合性好，接触良好4 .耐电迁移5 .膜薄，高温下的稳定性好6 .耐腐蚀性和氧化常用的势垒金属1. TiTiN 2. TaTaN 硅化物是在高温下高熔点金属(通常钛Ti、钴Co )和硅反应形成的金属化合物(TiSi2、CoSi2 )硅化物的作用1 .降低接触电阻，2 .作为金属与活性层的粘接剂。 硅化物的基本特性1 .电阻率低(Ti:60 cm，TiSi