微電子工藝之金屬化

第六章金屬化與多層互連技術(shù)一、金屬及金屬性材料1.按功能劃分①MOSFET柵電極材料－MOSFET器件的組成部分，對器件的性能起著重要的作用。②互連材料－將同一芯片的各個獨立的元件連接成為具有一定功能的電路模塊。③接觸材料－直接與半導(dǎo)體材料接觸的材料，以及提供與外部相連的接觸點。2.常用金屬材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等3.常壓的金屬性材料：摻雜的poly-Si、金屬硅化物（PtSi、CoSi）、金屬合金（AuCu、CuPt、TiB2、ZrB2、TiC、MoC、TiN）第六章金屬化與多層互連技術(shù)二、集成電路對金屬化的基本要求1.對P＋、N＋或poly-Si形成低阻歐姆接觸，即硅/金屬接觸電阻越小越好；2.提供低阻互連線，從而提高集成電路的速度；3.抗電遷移；4.良好的附著性；5.耐腐蝕；6.易于淀積和刻蝕；7.易鍵合；8.層與層之間絕緣要好，即相互不擴散，即要求有一個擴散阻擋層。第六章金屬化與多層互連技術(shù)三、歐姆接觸1.定義：金屬－相對于半導(dǎo)體主體或串聯(lián)電阻，當半導(dǎo)體接觸處的接觸電阻可以忽略不計時，稱為歐姆接觸。2.三個重要的參數(shù)：①功函數(shù):費米能級與真空能級的能量差.金屬功函數(shù)-WM；半導(dǎo)體功函數(shù)－WS。

②肖特基勢壘高度Φb:Φb＝WM-,③接觸電阻RC:RC=(dV/dJ)v=0低摻雜：，A*-理查德遜常數(shù)三、歐姆接觸高摻雜：，3.形成歐姆接觸的方法①低勢壘歐姆接觸:金屬的功函數(shù)WM低于n半導(dǎo)體的功函數(shù)WS或金屬的功函數(shù)WM高于p半導(dǎo)體的功函數(shù)WS。實際：必須低于0.3eV以下才能形成歐姆接觸。（由于有半導(dǎo)體表面態(tài)的存在，存在較寬的耗盡層。）應(yīng)用實例：測試探針三、歐姆接觸②高復(fù)合歐姆接觸:半導(dǎo)體表面高濃度缺陷，在表面耗盡區(qū)起復(fù)合中心作用，使RC明顯減少。工藝：半導(dǎo)體表面研磨或噴沙處理，離子注入。應(yīng)用：功率管背面金屬化；接觸電極。三、歐姆接觸③高摻雜歐姆接觸：在半導(dǎo)體表面擴散形成高摻雜層，金－半接觸時，只形成很薄的耗盡區(qū)，載流子能以隧道穿透方式通過勢壘。工藝：載流子濃度大于1019/cm3，耗盡區(qū)寬度小于10nm。應(yīng)用實例：引線孔第六章金屬化與多層互連技術(shù)四、金屬化的實現(xiàn)1.真空蒸發(fā)淀積①電阻加熱蒸發(fā)：利用難熔金屬電阻絲（W）或電阻片（Mo）加熱蒸發(fā)源，使之蒸發(fā)淀積在硅片表面。淀積的金屬：Al、Au、Cr等易熔化、氣化金屬。②電子束蒸發(fā)：利用高壓加速并聚焦的電子束加熱蒸發(fā)源，使之蒸發(fā)淀積在硅片表面。淀積的金屬：熔點>3000℃的難熔金屬。四、金屬化的實現(xiàn)2.濺射淀積①定義：用核能離子轟擊靶材，使靶材原子從耙表面逸出，淀積在襯底材料上的過程。被濺射材料稱為靶材，作為陰極；而硅片作為陽極接地。②機理：抽真空后充惰性氣體，電子在電場加速下，與惰性氣體碰撞，產(chǎn)生惰性氣體離子和更多電子，而惰性氣體離子打到靶材上時，濺射出耙原子則淀積在陽極襯底上形成薄膜。四、金屬化的實現(xiàn)③類型直流濺射磁控濺射RF濺射離子束濺射和反應(yīng)金屬圖8－5平板型磁控濺射源示意圖由于在陰極面上存在極強的磁場，電子受洛倫茲力作用而被限制在陰影區(qū)內(nèi)，沿著類似擺線的軌跡運動（虛線），于是增加了電子與氣體的碰撞次數(shù)，增加了等離子體的密度，提高了濺射速率。四、金屬化的實現(xiàn)④濺射條件：襯底溫度：200～230℃；背景真空：3×10－4Pa；Ar氣壓:0.3Pa；濺射速率：1.5nm/s。五、鋁硅接觸1.合金化原理：鋁和硅（重摻雜1019）在300℃以上可以在界面形成硅鋁合金，從而形成半導(dǎo)體和金屬的歐姆接觸。鋁硅合金工藝：500℃（577℃共熔點），10～15分鐘。金和硅共熔點:370℃合金氣氛：真空或H2,N2混合。五、鋁硅接觸2.Al/Si接觸的現(xiàn)象①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低；Si在Al中的溶解度相對較高：400℃時，0.25wt%;450℃時，0.5wt%;500℃時，0.8wt%。②Si在Al中擴散：Si在Al薄膜中的擴散比在晶體Al中大40倍。③與SiO2反應(yīng)：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3好處：降低Al/Si歐姆接觸電阻；改善Al與SiO2的粘附性④Al/Si接觸的尖楔現(xiàn)象：五、鋁硅接觸3.Al/Si接觸的改善①Al-Si合金金屬化引線②Al--摻雜poly-Si雙層金屬化結(jié)構(gòu)③Al-阻擋層結(jié)構(gòu)4.電遷移現(xiàn)象及改進①電遷移機理：在大電流密度作用下，導(dǎo)電電子與鋁金屬離子發(fā)生動量交換，使金屬離子沿電子流方向遷移。遷移使金屬離子在陽極端堆積，形成小丘或須晶，造成電極間短路；在陰極端形成空洞，導(dǎo)致電極開路。②電遷移現(xiàn)象的表征－中值失效時間MTF，即50％互連線失效的時間。MTF與引線截面積成正比。③改進電遷移的方法a.“竹狀”結(jié)構(gòu)：晶粒間界垂直電流方向。b.Al-Cu(Al-Si-Cu)合金：Cu等雜質(zhì)的分凝降低Al在晶粒間界的擴散系數(shù)。c.三層夾心結(jié)構(gòu)：兩層Al之間加一層約500?的金屬過渡層。六、

多層布線多層布線是高集成度的必然。第一層：基本單元布線；第二層：單元之間電路布線；介質(zhì)：SiO2，PSG,Al2O3，聚銑亞銨六、

多層布線1.對布線材料的要求①導(dǎo)電性好；②歐姆接觸好；③與絕緣介質(zhì)層的粘附性好；④對介質(zhì)腐蝕液的抗蝕性好；⑤熱匹配好。常用材料：Al、Al合金、Cu、MoSi等。2.對絕緣介質(zhì)的要求①絕緣性好；②較高的介電強度和較低的介電常數(shù)；③理化性能穩(wěn)定；④雜質(zhì)離子的遷移率??；⑤易刻蝕常用材料：SiO2、Al2O3、PSG、聚銑亞銨六、

多層布線3.影響多層布線質(zhì)量的因素①通孔：孔中殘留的介質(zhì)層；通孔過腐蝕。解決：反應(yīng)離子刻蝕②介質(zhì)層：絕緣層上的針孔；金屬與絕緣層的熱不匹配；介質(zhì)層的介電強度過低；解決：復(fù)合介質(zhì)層③臺階覆蓋：隨布線層數(shù)增加，臺階密度和高度明顯增大。解決：減薄介質(zhì)層厚度；涂層形成等平面；通孔臺階減緩。七.歐姆接觸能帶論1.肖特基勢壘定義金屬—半導(dǎo)體接觸通常形成肖特基勢壘(即整流結(jié)),呈現(xiàn)二極管特性,從半導(dǎo)體到金屬形成勢壘。a),b)肖特基勢壘高度定義為半導(dǎo)體