第9章IC工艺薄膜物理淀积技术

第九章：薄膜物理淀积技术MetalLayersinaChipMultilevelMetallizationonaULSIWaferPassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4p-Epitaxiallayerp+ILD-6LIoxideSTIn-wellp-wellILD-1Polygaten+p+p+n+n+LImetalCopperMetallization•9.1.薄膜沉积的特点：pages296•微电子技术中的薄膜种类繁多，一般都不能（也不需要）形成与衬底晶格匹配的晶体。形成非晶或多晶薄膜即可（但要求其界面的应力足够小）。其生长的过程大致为：•晶核形成、晶粒成长、晶粒聚结、逢道填补、成积膜成长。晶粒自由能对成核的影响：临界半径—表面能的约束界面亲和能对成核的影响：浸润湿夹角—界面键的形成晶粒间界的形成与多晶膜的生长：杂质的影响：非晶膜的形成：（Si非晶膜、多晶膜和外延层的形成）9.2.几种物理沉积（PVD）方法1）热阻加热蒸发镀膜常规真空系统：（Ch12）油扩散泵原理:(P.245)无油真空系统：分子泵低温吸附泵溅射离子泵（Ti升华泵）•真空的测量9.4,热偶规电离规•坩埚:与蒸发材料的粘润性和互溶度钨、刚玉等P302~303–优点与缺点：系统简单、可蒸镀各种材料、易做厚膜纯度不够高、镀膜速率不易控制、均匀性较差（星型夹具）–平衡蒸气压：–合金与化合物蒸发：P305无分解蒸发、分解蒸发；不同蒸气压的蒸发–膜厚的实时测量：石英振荡法（原理？）精度可达~0.01ÅSimpleEvaporatorRoughingpumpHi-VacvalveHi-VacpumpProcesschamber(belljar)CrucibleEvaporatingmetalWafercarrier2）电子束蒸发：纯度高镀膜速率易控制诱生软x射线：辐照损伤问题3）溅射沉积(10.5)(12.6~12.8)直流溅射RFSputteringSystemArgonGasflowcontrollerTurbopumpRFgeneratorMatchingnetworkMicrocontrolleroperatorinterfaceExhaustChuckElectrodeTargetSubstrateBlockingcapacitorRoughingpumpPressurecontrollerGaspanel–射频溅射：解决绝缘靶材料上的电荷堆积问题和合金材料的组分问题–等离子体溅射：低压（电压、气压）–磁控溅射：提高离化率、分离非离化离子–优点：？–工艺：（组分的控制，界面态）–台阶覆盖：（301，12.10MorphologyandStepCoverage）(台阶的应用)•9.3.PVD的主要应用PVD技术主要用于金属膜的制备（也可以用于非金属薄膜材料的生长）9.3.1主要金属材料连线材料（铝Al、铝铜合金、铜Cu）阻挡层金属（W、Ti、Mo、Ta等）硅化物（Pt、W、Ti等）金属填充物（W等）其它*真空度对生长膜质量的影响**材料纯度对生长膜质量的影响***技术方法对生长膜质量的影响SiliconandSelectWaferFabMetals(at20°C)MaterialMeltingTemperature(C)Resistivity(-cm)Silicon(Si)1412109DopedPolysilicon(DopedPoly)1412500–525Aluminum(Al)6602.65Copper(Cu)10831.678Tungsten(W)34178Titanium(Ti)167060Tantalum(Ta)299613–16Molybdenum(Mo)26205Platinum(Pt)177210•9.4.器件中的金属膜在器件中的作用：—欧姆电极、连线、肖特基接触9.4.1.欧姆接触与肖特基接触（半导体物理）1、金属功函数与半导体亲合能对金—半接触时的界面空间电荷区的影响阻挡层和反阻挡层的形成2、界面态的影响？费米能级钉扎3、隧穿效应4、与半导体载流子浓度的关系eFW5、实现低欧姆接触的途径高掺杂（正面）粗表面（背面）合金（双面）：合金层和扩散层表面态的形成6、实现肖特基接触的途径表面态的处理——金属的选择表面的处理镀膜温度和速率表面费米能级的工艺调制9.4.2.Al在硅器件中的特点Al是硅平面器件中的三种基本材料之一主要做欧姆电极和连线，也能与p型硅形成欧姆接触。欧姆电极和连线材料的要求：电阻率低、稳定抗氧化、与基质材料的粘接性好、能与各型硅材料形成良好的欧姆接触、易于光刻、易于键合1、金属（Al）的电阻率、粘附性和可光刻性2、几个物理问题1）合金的形成相图固溶度金属化合金温度的选择557°C合金处理也将改变界面态2）界面渗透557°C金属化时，Al/Si界面的渗透主要是Si向Al内扩散。金属/半导体界面的低温相互渗透，将使界面的机械强度增加，但也可能影响界面态的稳定。Al/SiO2界面的在低温下可形成一极薄的Al2O3层3）Al/Si接触中的尖刺现象Al向硅中扩散，（100）方向的扩散系数大，所以MOSIC器件中明显。JunctionSpikingJunctionshortShallowjunction尖刺现象的抑制：Al/Si合金层结构——但Si从Al中分凝将在Al层中形成单晶硅“结瘤”或“外延膜”使接触整流化。Al/多晶Si双层金属化结构——重掺杂（P、As）多晶硅具有低阻、互连性好、多晶粒不易在低温下再结晶等特点。但不适宜在p型层上作互连。Al-阻挡层结构——用薄（几十纳米）金属膜（Ti0.03~0.28W、TiN0.4）作Al/Si间的阻挡层（可在600°C下阻挡Al20h）。TiW的压应力大，因而目前多用TiN。由于TiW、TiN与Si的欧姆接触和粘附性不好，故需在阻挡层和Si之间加一层金属硅化物（如：PtSi、Pd2Si、CoSi等），形成多层金属化电极。4）电迁移现象：表观现象为，Al电极引线在大电流密度作用下，一部分出现空洞而断裂，一部分出现Al原子堆积而形成小丘。主要机理是，在高电流密度（~106A/cm2）Al离子被电子风“吹”离晶格位置。对策包括，Al膜多晶化、Al-Cu等合金、夹心结构、介质膜覆盖和Cu基材料。肖特基接触还大量用于MESFET器件AlCu合金工艺（提高抗电迁移能力，Cu0.5~4%）Cu工艺：抗电迁移能力强、电阻率低、较少的工艺步骤（难度：难于等离子刻蚀、本身的抗氧化能力小、与硅相互作用）通常用溅射（SPUTTER）方法淀积Al9.4.3.钛金属硅化的自对准工艺要点：钛能与硅形成难腐蚀的低电阻的TiSi2合金（工艺难点），而不易与其它介质材料形成化合物。Al栅的困难0.13mFormationofSelf-AlignedMetalSilicide(Salicide)2.TitaniumdepositionSiliconsubstrate1.ActivesiliconregionsFieldoxideSpaceroxidePolysiliconActivesiliconregion3.RapidthermalannealtreatmentTitanium-siliconreactionregions4.TitaniumstripTiSi2formationChipPerformanceIssuesRelatedtoaSalicideStructureSTITiSi2STISGDTiSi2TiSi2TiSi2ReducedsheetresistanceReducedgatetoS/DresistanceReducedcontactresistanceReduceddiodeleakage9.4.4.光学薄膜等应用金属结构1金属结构2Au1500ÅAu2200ÅGe400ÅNi30ÅNi150ÅGe80Ån-InGaAs帽层Au660ÅGe40ÅNi40Ån-InGaAs帽层结构1包含三层金属，自下而上依次为Ni（150Å），Ge（400Å），Au（1500Å）。因为AuGe与InGaAs的浸润性很差，Ni起湿润作用，防止“缩球”发生，同时还能促进Au与InGaAs的反应，提高Ge的内扩散能力，起着整个相变反应催化剂的作用[5]。Ge在一定温度下通过扩散进入InGaAs并占据Ga空位，成为施主杂质，因而在合金层下形成一层高掺的n+层[6]，这是形成欧姆接触的关键。Au会促使InGaAs的分解以及Ga的外扩散，形成Ga空位；同时Au还能提高合金后的薄层电导率，改善合金形貌。金属结构1金属结构2Au1500ÅAu2200ÅGe400ÅNi30ÅNi150ÅGe80Ån-InGaAs帽层Au660ÅGe40ÅNi40Ån-InGaAs帽层结构2包含六层金属，自下而上依次是Ni（40Å），Ge（40Å），Au（660Å），Ge（80Å），Ni（30Å），Au（2200Å）。前三层金属Ni，Ge，Au的用途与结构1中的三层金属类似。第四层金属Ge的作用主要是使NiGeAu系统保持一定的化学计量比。第五层金属Ni在前面几层金属与第六层的Au之间形成一层阻挡层防止过多的As扩散进入顶层的Au[7]。第六层金属Au用于提高合金后薄层电导率，改善表面合金形貌。