第八章：蒸发与溅射预案.ppt

集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率 集成电路金属化技术常用的金属种类 铝 铝铜合金 铜 阻挡层金属 硅化物 金属填充塞 铝 铝的优点 1. 电阻率低（2.65μΩ.cm） 2. 与硅和二氧化硅的粘附性好 3. 与高掺杂的硅和多晶硅有很好的欧姆接触（合金 化温度450～500℃） 4. 易于沉积成膜 5. 易于光刻和刻蚀形成微图形 6. 抗腐蚀性能好，因为铝表面总是有一层抗腐蚀性 好的氧化层（Al2O3） 7. 铝的成本低 铝的缺点 1. 纯铝与硅的合金化接触易产生PN结的穿刺现象 2. 能出现电迁徙现象 结穿刺现象在纯铝和硅的界面加热合金化过程中（通常450～500℃） ，硅将开始溶解在铝中直到它在铝中的浓度达到0.5％为止，硅在铝中的溶解消耗硅且由于硅界面的情况不同，在硅中形成空洞发生PN穿刺现象。结穿刺引起PN结短路。 解决结穿刺问题的方法： 1. 采用铝－硅（1~2%）合金或铝－硅（1~2%）－铜（2~4%）合金替代纯铝； 2. 引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。 电迁徙现象当金属线流过大密度的电流时，电子和金属原子的碰撞引起金属原子的移动导致金属原子的消耗和堆积现象的发生，这种现象称为电迁徙现象。 电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近的金属线短路。 纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发生电迁徙现象。 控制纯铝电迁徙现象的办法是采用铝－铜（0.5~4%）合金替代纯铝 电迁徙现象的SEM照片 电迁徙 欧姆接触 金属与硅接触时，该系统的I－V特性曲线符合欧姆定律，这样的接触被称为欧姆接触。 铜 在深亚微米IC制造中， RC延迟是一个突出问题 IC的集成度↑特征尺寸↓→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，由于铜金属线的寄生电阻比铝小，铜互连将取代铝互连 铜的优点 1. 电阻率更低（1.678μΩ－cm）使相同线宽传导 的电流大 2. 降低动态功耗：由于RC延迟减小 3. 更高的集成度：由于线宽减小 4. 可靠性高：抗电迁徙 5. 更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少20％～30％ 6. 易于沉积（铜CVD、电镀铜） 7. 铜的成本低 铜的缺点 1. 不能干法刻蚀铜 2. 铜在硅和二氧化硅中扩散很快，芯片中的铜杂质 沾污使电路性能变坏 3. 抗腐蚀性能差，在低于200℃的空气中不断被氧化 工艺措施 1. 采用大马士革工艺回避干法刻蚀铜 2. 用金属钨做第一层金属解决了电路底层器件的铜 沾污 大马士革工艺 大马士革是叙利亚的一个城市名，早期大马士革的一位艺术家发明了在金银首饰上镶嵌珠宝的工艺，该工艺被命名为大马士革。集成电路的铜布线技术和大马士革工艺相似。 传统Al布线工艺与大马士革Cu工艺的差别 传统布线工艺 与双大马士革工艺的差别 阻挡层金属 阻挡层金属的作用 1. 提高欧姆接触的可靠性； 2. 消除浅结材料扩散或结穿刺； 3. 阻挡金属杂质的扩散（如铜扩散） 阻挡层金属的基本特性 1. 有很好的阻挡扩散特性 2. 低电阻率具有很低的欧姆接触电阻 3. 与半导体和金属的粘附性好，接触良好 4. 抗电迁徙 5. 膜很薄且高温下稳定性好 6. 抗腐蚀和氧化 常用的阻挡层金属 1. Ti＋TiN 2. Ta＋TaN（主要用于铜布线） 硅化物 硅化物是在高温下难熔金属（通常是钛Ti、钴 Co）与硅反应形成的金属化合物（如TiSi2、 CoSi2 ） 硅化物的作用 1. 降低接触电阻。 2. 作为金属与有源层的粘合剂。 硅化物的基本特性 1. 电阻率低（Ti：60 μΩ－cm ， TiSi2 ：13～ 17μΩ－cm ） 2. 高温稳定性好，抗电迁徙性能好 3. 与硅栅工艺的兼容性好 常用的硅化物 1. 硅化钛TiSi2 2. 硅化钴CoSi2 （0.25um及以下） CMOS结构的硅化物 自对准金属硅化物的形成 金属填充塞 0.18μm STI 硅化钴 6层金属IC的逻辑器件 本章作业 1. 请回答溅射的概念 2. 列出并解释溅射过程的6个步骤，并写出溅射的优点 3. 请描述以下芯片金属化技术术语： 接触、通孔 第八章：蒸发与溅射 (物理气相沉积) 8.1 引 言 物理气相沉积（PVD ） —PVD（ Physical Vapor Deposition） —半导体传统的金属化工艺 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：蒸发、溅射、金属CVD、铜电镀