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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 Metal Layers in a Chip Multilevel Metallization on a ULSI Wafer Copper Metallization 9.1.薄膜沉积的特点:pages 296 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: (Ch 12) 无油真空系统: 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~0.01? Simple Evaporator 2)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 RF Sputtering System 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: (301,12.10 Morphology and Step Coverage) 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 Silicon and Select Wafer Fab Metals (at 20°C) 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 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 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 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MOS IC器件中明显。 Junction Spiking 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、TiN 0.4) 作Al/Si间的阻挡
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