微电子工艺之金属化课件.ppt

第六章 金属化与多层互连技术,一、金属及金属性材料1.按功能划分MOSFET栅电极材料MOSFET器件的组成部分，对器件的性能起着重要的作用。互连材料将同一芯片的各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模块。接触材料直接与半导体材料接触的材料，以及提供与外部相连的接触点。2.常用金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等3.常压的金属性材料：掺杂的poly-Si、金属硅化物（PtSi、CoSi）、金属合金（AuCu、CuPt、TiB2、ZrB2、TiC、MoC、TiN）,第六章 金属化与多层互连技术,二、集成电路对金属化的基本要求1.对P、N或poly-Si形成低阻欧姆接触，即硅/金属接触电阻越小越好；2.提供低阻互连线，从而提高集成电路的速度；3.抗电迁移；4.良好的附着性；5.耐腐蚀；6.易于淀积和刻蚀；7.易键合；8.层与层之间绝缘要好，即相互不扩散，即要求有一个扩散阻挡层。,第六章 金属化与多层互连技术,三、欧姆接触1.定义：金属相对于半导体主体或串联电阻，当半导体接触处的接触电阻可以忽略不计时，称为欧姆接触。2.三个重要的参数：功函数:费米能级与真空能级的能量差.金属功函数-WM；半导体功函数 WS。肖特基势垒高度b:bWM-,接触电阻RC:RC=(dV/dJ)v=0低掺杂：，A*-理查德逊常数,三、欧姆接触,高掺杂：，3.形成欧姆接触的方法低势垒欧姆接触:金属的功函数WM低于n半导体的功函数WS或金属的功函数WM高于p半导体的功函数WS。实际：必须低于0.3eV以下才能形成欧姆接触。（由于有半导体表面态的存在，存在较宽的耗尽层。）应用实例：测试探针,三、欧姆接触,高复合欧姆接触:半导体表面高浓度缺陷，在表面耗尽区起复合中心作用，使RC明显减少。工艺：半导体表面研磨或喷沙处理，离子注入。应用：功率管背面金属化；接触电极。,三、欧姆接触,高掺杂欧姆接触：在半导体表面扩散形成高掺杂层，金半接触时，只形成很薄的耗尽区，载流子能以隧道穿透方式通过势垒。工艺：载流子浓度大于1019/cm3，耗尽区宽度小于10nm。应用实例：引线孔,第六章 金属化与多层互连技术,四、金属化的实现1.真空蒸发淀积电阻加热蒸发：利用难熔金属电阻丝（W）或电阻片（Mo）加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。淀积的金属：Al、Au、Cr等易熔化、气化金属。电子束蒸发：利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。淀积的金属：熔点3000的难熔金属。,四、金属化的实现,2.溅射淀积定义：用核能离子轰击靶材，使靶材原子从耙表面逸出，淀积在衬底材料上的过程。被溅射材料称为靶材，作为阴极；而硅片作为阳极接地。机理：抽真空后充惰性气体，电子在电场加速下，与惰性气体碰撞，产生惰性气体离子和更多电子，而惰性气体离子打到靶材上时，溅射出耙原子则淀积在阳极衬底上形成薄膜。,四、金属化的实现,类型直流溅射磁控溅射RF溅射离子束溅射和反应金属,图85 平板型磁控溅射源示意图,由于在阴极面上存在极强的磁场，电子受洛伦茲力作用而被限制在阴影区内，沿着类似摆线的轨迹运动（虚线），于是增加了电子与气体的碰撞次数，增加了等离子体的密度，提高了溅射速率。,四、金属化的实现,溅射条件：衬底温度：200230；背景真空：3104Pa；Ar气压:0.3Pa；溅射速率：1.5nm/s。,五、铝硅接触,1.合金化原理：铝和硅（重掺杂1019）在300以上可以在界面形成硅铝合金，从而形成半导体和金属的欧姆接触。铝硅合金工艺：500（577共熔点），10 15分钟。金和硅共熔点:370合金气氛：真空或H2,N2混合。,五、铝硅接触,2.Al/Si接触的现象Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低；Si在Al中的溶解度相对较高：400时，0.25wt%;450时，0.5wt%;500时，0.8wt%。Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中大 40倍。与SiO2反应：3SiO2+4Al3Si+2Al2O3好处：降低Al/Si欧姆接触电阻；改善Al与SiO2的粘附性Al/Si接触的尖楔现象：,五、铝硅接触,3.Al/Si接触的改善Al-Si合金金属化引线Al-掺杂poly-Si双层金属化结构 Al-阻挡层结构,4.电迁移现象及改进电迁移机理：在大电流密度作用下，导电电子与铝金属离子发生动量交换，使金属离子沿电子流方向迁移。迁移使金属离子在阳极端堆积，形成小丘或须晶，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。电迁移现象的表征中值失效时间MTF，即50互连线失效的时间。MTF与引线截面积成正比。改进电迁移的方法a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。b.Al-Cu(Al-Si-Cu)合金：Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界的扩散系数。c.三层夹心结构：两层Al之间加一层约500的金属过渡层。,六、多层布线,多层布线是高集成度的必然。第一层：基本单元布线；第二层：单元之间电路布线；介质：SiO2，P S G,Al2O3，聚铣亚铵,六、多层布线,1.对布线材料的要求导电性好；欧姆接触好；与绝缘介质层的粘附性好；对介质腐蚀液的抗蚀性好；热匹配好。常用材料：Al、Al合金、Cu、MoSi等。2.对绝缘介质的要求绝缘性好；较高的介电强度和较低的介电常数；理化性能稳定；杂质离子的迁移率小；易刻蚀常用材料：SiO2、Al2O3、PSG、聚铣亚铵,六、多层布线,3.影响多层布线质量的因素通孔：孔中残留的介质层；通孔过腐蚀。解决：反应离子刻蚀介质层：绝缘层上的针孔；金属与绝缘层的热不匹配；介质层的介电强度过低；解决：复合介质层台阶覆盖：随布线层数增加，台阶密度和高度明显增大。解决：减薄介质层厚度；涂层形成等平面；通孔台阶减缓。,七.欧姆接触能带论 1.肖特基势垒定义 金属半导体接触通常形成肖特基势垒(即整流结),呈现二极管特性,从半导体到金属形成势垒。a),b)肖特基势垒高度定义为半导体和金属的功函数之差B=mXs,其中B:肖特基势垒高度,m:金属的功函数,Xs:半导体的功函数,a)金属-半导体接触前能带图,b.金属半导体接触后能带图,2.简并半导体,如c)金属n型半导体接触后能带图 肖特基势垒产生耗尽层,其W反比于掺,