薄膜物理淀積技術(shù)課件

1、第九章：薄膜物理淀積技術(shù)Metal Layers in a ChipMultilevel Metallization on a ULSI WaferPassivation layerBonding pad metalp+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+p+p+n+n+LI metalCopper Metallization9.1.薄膜沉積的特點(diǎn)：微電子技術(shù)中的薄膜種類繁多，一般都不能（也不需要

2、）形成與襯底晶格匹配的晶體。形成非晶或多晶薄膜即可（但要求其界面的應(yīng)力足夠?。?。其生長的過程大致為：晶核形成、晶粒成長、晶粒聚結(jié)、逢道填補(bǔ)、成積膜成長。晶粒自由能對成核的影響：臨界半徑表面能的約束界面親和能對成核的影響：浸潤濕夾角界面鍵的形成晶粒間界的形成與多晶膜的生長：雜質(zhì)的影響：非晶膜的形成：（Si非晶膜、多晶膜和外延層的形成）9.2.幾種物理沉積（PVD）方法1）熱阻加熱蒸發(fā)鍍膜常規(guī)真空系統(tǒng)：（Ch 12） 油擴(kuò)散泵原理:無油真空系統(tǒng)： 分子泵低溫吸附泵濺射離子泵（Ti升華泵）真空的測量9.4, 熱偶規(guī)電離規(guī)坩堝: 與蒸發(fā)材料的粘潤性和互溶度鎢、剛玉等 優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：系統(tǒng)簡單、可蒸鍍各種材

3、料、易做厚膜純度不夠高、鍍膜速率不易控制、均勻性較差（星型夾具）平衡蒸氣壓：合金與化合物蒸發(fā)：P305無分解蒸發(fā)、分解蒸發(fā)；不同蒸氣壓的蒸發(fā)膜厚的實(shí)時(shí)測量：石英振蕩法（原理？）精度可達(dá)0.01Simple EvaporatorRoughingpumpHi-Vac valveHi-Vac pumpProcess chamber(bell jar)CrucibleEvaporating metalWafer carrier2）電子束蒸發(fā)：純度高鍍膜速率易控制3）濺射沉積 直流濺射RF Sputtering SystemArgonGas flow controllerTurbopumpRF gene

4、ratorMatching networkMicrocontroller operator interfaceExhaustChuckElectrodeTargetSubstrateBlocking capacitorRoughingpumpPressure controllerGas panel射頻濺射： 解決絕緣靶材料上的電荷堆積問題和合金材料的組分問題等離子體濺射：低壓（電壓、氣壓）磁控濺射：提高離化率、分離非離化離子優(yōu)點(diǎn)：？工藝： （組分的控制，界面態(tài)）臺階覆蓋：(臺階的應(yīng)用)9.3. PVD的主要應(yīng)用PVD技術(shù)主要用于金屬膜的制備（也可以用于非金屬薄膜材料的生長）9.3.1 主要金屬

5、材料連線材料（鋁Al、鋁銅合金、銅Cu）阻擋層金屬（W、Ti、Mo、Ta等）硅化物（Pt、W、Ti等）金屬填充物（W等）其它Silicon and Select Wafer Fab Metals (at 20C)9.4. 器件中的金屬膜在器件中的作用：歐姆電極、連線、肖特基接觸9.4.1.歐姆接觸與肖特基接觸（半導(dǎo)體物理）1、金屬功函數(shù)與半導(dǎo)體親合能對金半接觸時(shí)的界面空間電荷區(qū)的影響阻擋層和反阻擋層的形成2、界面態(tài)的影響？費(fèi)米能級釘扎3、隧穿效應(yīng)4、與半導(dǎo)體載流子濃度的關(guān)系5、實(shí)現(xiàn)低歐姆接觸的途徑高摻雜（正面）粗表面（背面）合金（雙面）：合金層和擴(kuò)散層表面態(tài)的形成6、實(shí)現(xiàn)肖特基接觸的途徑表面態(tài)

6、的處理金屬的選擇表面的處理鍍膜溫度和速率表面費(fèi)米能級的工藝調(diào)制9.4.2. Al在硅器件中的特點(diǎn)Al是硅平面器件中的三種基本材料之一主要做歐姆電極和連線，也能與p型硅形成歐姆接觸。歐姆電極和連線材料的要求：電阻率低、穩(wěn)定抗氧化、與基質(zhì)材料的粘接性好、能與各型硅材料形成良好的歐姆接觸、易于光刻、易于鍵合1、金屬（Al）的電阻率、粘附性和可光刻性2、幾個(gè)物理問題1）合金的形成相圖固溶度金屬化合金溫度的選擇557C合金處理也將改變界面態(tài)2）界面滲透 557C 金屬化時(shí)，Al/Si界面的滲透主要是Si向Al內(nèi)擴(kuò)散。 金屬/半導(dǎo)體界面的低溫相互滲透，將使界面的機(jī)械強(qiáng)度增加，但也可能影響界面態(tài)的穩(wěn)定。 A

7、l/SiO2界面的在低溫下可形成一極薄的Al2O3層3） Al/Si接觸中的尖刺現(xiàn)象 Al向硅中擴(kuò)散，（100）方向的擴(kuò)散系數(shù)大，所以MOS IC器件中明顯。Junction SpikingJunction shortShallow junction尖刺現(xiàn)象的抑制： Al/Si合金層結(jié)構(gòu)但Si從Al 中分凝將在Al層中形成單晶硅“結(jié)瘤”或“外延膜”使接觸整流化。 Al/多晶Si雙層金屬化結(jié)構(gòu)重?fù)诫s（P、As）多晶硅具有低阻、互連性好、多晶粒不易在低溫下再結(jié)晶等特點(diǎn)。但不適宜在p型層上作互連。 Al-阻擋層結(jié)構(gòu)用薄（幾十納米）金屬膜（Ti0.030.28W、TiN 0.4） 作Al/Si間的阻擋

8、層（可在600C下阻擋Al 20h）。TiW的壓應(yīng)力大，因而目前多用TiN。由于TiW、TiN與Si的歐姆接觸和粘附性不好，故需在阻擋層和Si之間加一層金屬硅化物（如：PtSi、Pd2Si、CoSi等），形成多層金屬化電極。4）電遷移現(xiàn)象： 表觀現(xiàn)象為，Al電極引線在大電流密度作用下，一部分出現(xiàn)空洞而斷裂，一部分出現(xiàn)Al原子堆積而形成小丘。主要機(jī)理是，在高電流密度（106A/cm2）Al離子被電子風(fēng)“吹”離晶格位置。 對策包括，Al膜多晶化、Al-Cu等合金、夾心結(jié)構(gòu)、介質(zhì)膜覆蓋和Cu基材料。肖特基接觸還大量用于MESFET器件AlCu合金工藝（提高抗電遷移能力，Cu0.54%）Cu工藝：抗電

9、遷移能力強(qiáng)、電阻率低、較少的工藝步驟通常用濺射（SPUTTER）方法淀積Al9.4.3. 鈦金屬硅化的自對準(zhǔn)工藝要點(diǎn)：鈦能與硅形成難腐蝕的低電阻的TiSi2合金（工藝難點(diǎn)），而不易與其它介質(zhì)材料形成化合物。 Al柵的困難0.13mFormation of Self-Aligned Metal Silicide (Salicide)2. Titanium depositionSilicon substrate1. Active silicon regionsField oxideSpacer oxidePolysiliconActive silicon region3. Rapid thermal anneal treatmentTitanium-silicon reaction regions4. Titanium stripTiSi2 formation Chip Performance Issues Related to a Salicide Stru