微電子工藝基礎(chǔ)金屬淀積學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ)(jch)金屬淀積金屬淀積第一頁，共47頁。第2頁/共47頁第二頁，共47頁。第3頁/共47頁第三頁，共47頁。（1）在微電子器件與電路中金屬薄膜最重要的用途）在微電子器件與電路中金屬薄膜最重要的用途是作為內(nèi)電極（是作為內(nèi)電極（MOS柵極和電容器極板）和各元件柵極和電容器極板）和各元件之間的電連接。（參閱教材之間的電連接。（參閱教材P273下面）下面）（2）在某些）在某些(mu xi)存儲電路中作為熔斷絲。（存儲電路中作為熔斷絲。（參閱教材參閱教材P273下面）下面）（3） 用于晶圓的背面（通常是金），提高芯片和封用于晶圓的背面（通常是金），提高芯片和封裝材

2、料的黏合力。（參閱教材裝材料的黏合力。（參閱教材P274下面）下面）第4頁/共47頁第四頁，共47頁。把各個(gè)元件連接到一起的工藝把各個(gè)元件連接到一起的工藝(gngy)稱為金屬化稱為金屬化工藝工藝(gngy)。（。（P266簡介部分）簡介部分）第5頁/共47頁第五頁，共47頁。見教材見教材(jioci)P267第6頁/共47頁第六頁，共47頁。所謂電遷移，是指金屬的個(gè)別原子在特定條件下（例如高所謂電遷移，是指金屬的個(gè)別原子在特定條件下（例如高電壓或高電流電壓或高電流(dinli)）從原有的地方遷出。）從原有的地方遷出。第7頁/共47頁第七頁，共47頁。引線連接的最關(guān)鍵問題是可鍵合性與可靠性?？涉I

3、引線連接的最關(guān)鍵問題是可鍵合性與可靠性。可鍵合性是指兩種金屬依靠一定鍵合工藝使它們結(jié)合合性是指兩種金屬依靠一定鍵合工藝使它們結(jié)合(jih)起來的能力。連接應(yīng)有一定的強(qiáng)度，使用較起來的能力。連接應(yīng)有一定的強(qiáng)度，使用較長時(shí)間后不會脫開。長時(shí)間后不會脫開。 第8頁/共47頁第八頁，共47頁。第9頁/共47頁第九頁，共47頁。第10頁/共47頁第十頁，共47頁。集成電路對金屬化的要求： 對n+硅和p+硅或多晶硅形成低阻歐姆接觸，即金屬/硅接觸電阻小 能提供低電阻的互連引線，從而提高電路速度 抗電遷移性能要好 與絕緣(juyun)體（如二氧化硅）有良好的附著性 耐腐蝕 易于淀積和刻蝕 易鍵合，且鍵合點(diǎn)能

4、經(jīng)受長期工作 層與層之間絕緣(juyun)要好，不互相滲透和擴(kuò)散，即要求有一個(gè)擴(kuò)散阻擋層第11頁/共47頁第十一頁，共47頁。用途：早期的金屬化材料用途：早期的金屬化材料缺點(diǎn)缺點(diǎn)(qudin)：與硅的接觸電阻很高，下部需要一個(gè)鉑中間層；柔軟：與硅的接觸電阻很高，下部需要一個(gè)鉑中間層；柔軟，上部需要一層鉬，上部需要一層鉬優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電性最好；優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電性最好；工藝：濺射工藝：濺射第12頁/共47頁第十二頁，共47頁。用途：新一代的金屬化材料，超大規(guī)模集成電路的內(nèi)連線用途：新一代的金屬化材料，超大規(guī)模集成電路的內(nèi)連線缺點(diǎn)：與硅的接觸電阻高，不能直接使用；銅在硅中是快擴(kuò)缺點(diǎn)：與硅的接觸電阻高，不能直接使

5、用；銅在硅中是快擴(kuò)散雜質(zhì)，能使硅中毒，銅進(jìn)入硅內(nèi)改變器件性能；與硅、二散雜質(zhì)，能使硅中毒，銅進(jìn)入硅內(nèi)改變器件性能；與硅、二氧化硅粘附性差。氧化硅粘附性差。優(yōu)點(diǎn)：電阻率低（只有鋁的優(yōu)點(diǎn)：電阻率低（只有鋁的40-45%） ，導(dǎo)電性較好；抗電，導(dǎo)電性較好；抗電遷移性好于鋁兩個(gè)數(shù)量級；（參閱遷移性好于鋁兩個(gè)數(shù)量級；（參閱P270最上）最上）工藝工藝(gngy)：濺射：濺射第13頁/共47頁第十三頁，共47頁。用途用途: : 大多數(shù)微電子器件或集成電路是采用鋁膜做金屬化材料大多數(shù)微電子器件或集成電路是采用鋁膜做金屬化材料缺點(diǎn)缺點(diǎn)(qudin)(qudin)：抗電遷移性差；耐腐蝕性、穩(wěn)定性差：抗電遷移性差

6、；耐腐蝕性、穩(wěn)定性差 ；臺階；臺階覆蓋性較差。覆蓋性較差。優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電性較好；與優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電性較好；與p-Sip-Si，n+-Sin+-Si（55* *1019 1019 ）能形成良好）能形成良好的歐姆接觸；光刻性好；與二氧化硅黏合性好；易鍵合。的歐姆接觸；光刻性好；與二氧化硅黏合性好；易鍵合。工藝：蒸發(fā)，濺射工藝：蒸發(fā)，濺射第14頁/共47頁第十四頁，共47頁。 鋁硅共溶鋁硅共溶第15頁/共47頁第十五頁，共47頁。 鋁硅共熔（鋁硅共熔（P269P269中間中間(zhngjin)(zhngjin)）共熔現(xiàn)象：兩種物質(zhì)相互接觸并進(jìn)行加熱的話，它們的熔點(diǎn)共熔現(xiàn)象：兩種物質(zhì)相互接觸并進(jìn)行加熱的話，它們

7、的熔點(diǎn)將比各自的熔點(diǎn)低得多。將比各自的熔點(diǎn)低得多。鋁硅共熔形成合金點(diǎn)是鋁硅共熔形成合金點(diǎn)是577577度；其實(shí)鋁硅共熔大概在度；其實(shí)鋁硅共熔大概在450450度就已經(jīng)開始了，而這個(gè)溫度是形成歐姆接觸所度就已經(jīng)開始了，而這個(gè)溫度是形成歐姆接觸所必需的。必需的。第16頁/共47頁第十六頁，共47頁。 尖 楔 現(xiàn) 象尖 楔 現(xiàn) 象(xinxing)第17頁/共47頁第十七頁，共47頁。 含硅含硅1%-2%鋁合金結(jié)構(gòu)鋁合金結(jié)構(gòu)(jigu)（見教材（見教材P269中間）中間）第18頁/共47頁第十八頁，共47頁。 含硅含硅1%-2%鋁合金結(jié)構(gòu)鋁合金結(jié)構(gòu)(jigu)由于銅的抗電遷移性好，由于銅的抗電遷移性

8、好，鋁鋁- -銅（銅（0.5-4%0.5-4%）或鋁）或鋁- -鈦（鈦（0.1-0.5%0.1-0.5%）合金結(jié)構(gòu)防止電遷移，結(jié)合）合金結(jié)構(gòu)防止電遷移，結(jié)合Al-Al-SiSi合金，在實(shí)際應(yīng)用中人們經(jīng)常使用既含有銅合金，在實(shí)際應(yīng)用中人們經(jīng)常使用既含有銅又含有硅的又含有硅的Al-Si-CuAl-Si-Cu合金以防止合金化（即共熔合金以防止合金化（即共熔）問題和電遷移問題。（）問題和電遷移問題。（P269P269下面）下面）第19頁/共47頁第十九頁，共47頁。 Al- Al-摻雜摻雜(chn z)(chn z)多晶硅雙層金屬化結(jié)多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)構(gòu)第20頁/共47頁第二十頁，共47頁。 鋁鋁-

9、 -隔離隔離(gl)(gl)層結(jié)構(gòu)（參見教材層結(jié)構(gòu)（參見教材P269P269和和P271P271中中間）間）目前也常用目前也常用TiWTiW和和TiNTiN，對，對于銅來說常是于銅來說常是TiNTiN和和TaNTaN。第21頁/共47頁第二十一頁，共47頁?？梢詫Χ嗑Ч钃诫s以增加其導(dǎo)電性?？梢詫Χ嗑Ч钃诫s以增加其導(dǎo)電性。通常摻磷（固溶度高），摻雜一般通過擴(kuò)散、離子注入、或通常摻磷（固溶度高），摻雜一般通過擴(kuò)散、離子注入、或在在LPCVDLPCVD工序中原位摻雜。工序中原位摻雜。摻雜后的多晶硅和晶體硅形成良好的歐姆接觸，因而具有較摻雜后的多晶硅和晶體硅形成良好的歐姆接觸，因而具有較低的接觸電阻，

10、并且低的接觸電阻，并且(bngqi)(bngqi)能被氧化形成絕緣層。能被氧化形成絕緣層。第22頁/共47頁第二十二頁，共47頁。雖然電遷移問題和共熔合金問題已經(jīng)通過雖然電遷移問題和共熔合金問題已經(jīng)通過(tnggu)(tnggu)采用鋁采用鋁合金和隔離層的方法得到了解決，然而接觸電阻的問題仍然合金和隔離層的方法得到了解決，然而接觸電阻的問題仍然是一大障礙（參見教材是一大障礙（參見教材P271P271最下）最下）難熔金屬及其硅化物有較低的電阻率和接觸電阻。（難熔金屬及其硅化物有較低的電阻率和接觸電阻。（P272P272）第23頁/共47頁第二十三頁，共47頁。難熔金屬難熔金屬(jnsh)(jns

11、h)常見的有常見的有TiTi、W W、TaTa和和Mo Mo （P272P272）難熔金屬難熔金屬(jnsh)(jnsh)硅化物常見的有硅化物常見的有TiSi2TiSi2、WSi2WSi2、TaSi2TaSi2和和MoSi2MoSi2所有的現(xiàn)代所有的現(xiàn)代ICIC設(shè)計(jì)，尤其是設(shè)計(jì)，尤其是MOS ICMOS IC都使用難熔金屬都使用難熔金屬及其硅化物作為連接柱、導(dǎo)電層。及其硅化物作為連接柱、導(dǎo)電層。難熔金屬的一個(gè)廣泛應(yīng)用是在多層金屬結(jié)構(gòu)中填充連接孔，難熔金屬的一個(gè)廣泛應(yīng)用是在多層金屬結(jié)構(gòu)中填充連接孔，這個(gè)工序叫作過孔填充，填補(bǔ)好的過孔叫做接線柱。這個(gè)工序叫作過孔填充，填補(bǔ)好的過孔叫做接線柱。第24

12、頁/共47頁第二十四頁，共47頁。第25頁/共47頁第二十五頁，共47頁。金屬化的實(shí)現(xiàn)主要通過(tnggu)兩種方式來實(shí)現(xiàn)： 物理淀積（*） A：真空蒸發(fā)淀積（較早，金屬鋁線） B：真空濺射淀積（Al-Si合金或Al-Si-Cu合金） LPCVD（難熔金屬）第26頁/共47頁第二十六頁，共47頁。 蒸發(fā)過程蒸發(fā)過程 被蒸物質(zhì)從凝聚被蒸物質(zhì)從凝聚(nngj)(nngj)相轉(zhuǎn)化為氣相。相轉(zhuǎn)化為氣相。 輸運(yùn)過程輸運(yùn)過程 氣相物質(zhì)在真空系統(tǒng)中的輸運(yùn)。氣相物質(zhì)在真空系統(tǒng)中的輸運(yùn)。 生長過程生長過程 氣相分子在襯底上淀積和生長。氣相分子在襯底上淀積和生長。第27頁/共47頁第二十七頁，共47頁。 化學(xué)因素

13、（化學(xué)因素（P274P274最下一段）最下一段） 真空度低，殘余氧氣和水汽，氣相物質(zhì)和襯底氧化。真空度低，殘余氧氣和水汽，氣相物質(zhì)和襯底氧化。 高質(zhì)量淀積層的需要高質(zhì)量淀積層的需要 真空有利于氣相原子的直線運(yùn)動真空有利于氣相原子的直線運(yùn)動均勻均勻 雜質(zhì)雜質(zhì)(zzh)(zzh)淀積在襯底上影響淀積薄膜的質(zhì)量淀積在襯底上影響淀積薄膜的質(zhì)量第28頁/共47頁第二十八頁，共47頁。蒸發(fā)蒸發(fā)(zhngf)源加熱器源加熱器真空泵真空泵裝片裝置裝片裝置檢測裝置檢測裝置第29頁/共47頁第二十九頁，共47頁。 蒸發(fā)(zhngf)源加熱器常用的加熱器包括：常用的加熱器包括： A A：電阻加熱器：電阻加熱器 B

14、B：電子束加熱器：電子束加熱器 C C：快速電爐蒸發(fā)：快速電爐蒸發(fā)第30頁/共47頁第三十頁，共47頁。 蒸發(fā)源加熱器 A 電阻加熱器（教材(jioci)P275中間）分絲狀、舟狀、坩堝狀，常用材料是鎢、鉭、鉑分絲狀、舟狀、坩堝狀，常用材料是鎢、鉭、鉑缺點(diǎn)：a a 加熱各個(gè)部位溫度不均勻；加熱各個(gè)部位溫度不均勻；b b 源金屬材料的污染物或加熱材料的元素也源金屬材料的污染物或加熱材料的元素也會蒸發(fā)并淀積到晶片表面。會蒸發(fā)并淀積到晶片表面。第31頁/共47頁第三十一頁，共47頁。 蒸發(fā)(zhngf)源加熱器 B 電子束加熱器（教材P275下）采用原因：由于電阻加熱器受蒸發(fā)溫度限制、蒸發(fā)要求較低采

15、用原因：由于電阻加熱器受蒸發(fā)溫度限制、蒸發(fā)要求較低的污染水平，因而采用了電子束加熱器。的污染水平，因而采用了電子束加熱器。第32頁/共47頁第三十二頁，共47頁。 蒸發(fā)(zhngf)源加熱器 C 快速電爐蒸發(fā)(zhngf)能較好的解決合能較好的解決合金的蒸發(fā)問題。金的蒸發(fā)問題。第33頁/共47頁第三十三頁，共47頁。 真空泵真空泵用來產(chǎn)生低壓，參見真空泵用來產(chǎn)生低壓，參見(cnjin)教材教材P280。1010-3-3托托 - 10- 10-5-5托：中度真空（通過機(jī)械泵獲得）托：中度真空（通過機(jī)械泵獲得）1010-5-5托托 - 10- 10-9-9托：高度真空（油擴(kuò)散泵、分子泵托：高度真空

16、（油擴(kuò)散泵、分子泵）1010-9-9托托 - - ：極高真空（離子泵）：極高真空（離子泵）第34頁/共47頁第三十四頁，共47頁。 裝片裝置(zhungzh)為提高蒸發(fā)薄膜的均勻性和臺階覆蓋性，在為提高蒸發(fā)薄膜的均勻性和臺階覆蓋性，在VLSIVLSI工藝中往往利用行星式裝置。工藝中往往利用行星式裝置。第35頁/共47頁第三十五頁，共47頁。 檢測(jin c)裝置檢測裝置包括檢測裝置包括真空檢測和和膜厚檢測。第36頁/共47頁第三十六頁，共47頁。第37頁/共47頁第三十七頁，共47頁。濺射淀積是用核能離子轟擊濺射淀積是用核能離子轟擊靶材，使靶材原子靶材，使靶材原子(yunz)從靶表面逸出，淀

17、積在襯底從靶表面逸出，淀積在襯底材料上的過程。材料上的過程。第38頁/共47頁第三十八頁，共47頁。濺射淀積相對濺射淀積相對(xingdu)于蒸發(fā)淀積的優(yōu)點(diǎn)：（于蒸發(fā)淀積的優(yōu)點(diǎn)：（P277最下）最下） 成分不變，適合于合金膜和絕緣膜的淀積；成分不變，適合于合金膜和絕緣膜的淀積； 改善臺階覆蓋性，平面源相對于點(diǎn)源；改善臺階覆蓋性，平面源相對于點(diǎn)源； 濺射形成的薄膜對表面的黏附性有一定提高；濺射形成的薄膜對表面的黏附性有一定提高； 容易控制薄膜特性。容易控制薄膜特性。第39頁/共47頁第三十九頁，共47頁。靶材接負(fù)電壓成陰極，襯底呈陽極。抽真空后充以惰性氣體靶材接負(fù)電壓成陰極，襯底呈陽極。抽真空后

18、充以惰性氣體(duxng q t)，電子在電場的加速下，與惰性氣體，電子在電場的加速下，與惰性氣體(duxng q t)碰撞產(chǎn)生惰氣離子和更多電子，而惰氣離子打到靶材上時(shí)碰撞產(chǎn)生惰氣離子和更多電子，而惰氣離子打到靶材上時(shí)，濺射出靶原子則淀機(jī)在陽極襯底上形成薄膜。，濺射出靶原子則淀機(jī)在陽極襯底上形成薄膜。最早出現(xiàn)，要求靶是導(dǎo)電的，因此直流濺射主要用于金最早出現(xiàn)，要求靶是導(dǎo)電的，因此直流濺射主要用于金屬淀積，濺射速率很慢。屬淀積，濺射速率很慢。第40頁/共47頁第四十頁，共47頁。為了改善濺射，將靶材與高頻發(fā)生器負(fù)極相連，氣體為了改善濺射，將靶材與高頻發(fā)生器負(fù)極相連，氣體在靶表面附近發(fā)生電離，而不需要在靶表面附近發(fā)生電離，而不需要(xyo)(xyo)導(dǎo)電的靶。導(dǎo)電的靶。（P278P278）不要求靶是導(dǎo)電的，因此射頻濺射也可用于絕緣層淀積。不要求靶是導(dǎo)電的，因此射頻濺射也可用于絕緣層淀積。第41頁/共47頁第四十一頁，共47頁。LPCVD可以應(yīng)用可以應(yīng)用(yngyng)于制作金屬薄膜。（于制作金屬薄膜。（P279最下面）最下面）優(yōu)勢：不需要昂貴的高真空泵；不需要昂貴的高真空泵；臺階覆蓋性好；臺階覆蓋性好；生產(chǎn)效率較高。生產(chǎn)效率較高。用途：用途：難控制金屬；難控制金屬；難熔金屬。難熔金屬。主要是鎢主要是鎢第42頁/共47頁