PVD 金属化工艺

目录：

Chapter PVD

1. 概述

1.1 金属化工艺的作用

1.2 金属化材料的要求

1.3 合金材料的使用

1.4金属化膜与半导体的接触

1.5 薄膜沉积技术

2．物理气相沉积

2.1 溅射沉积

2.2溅射腔体结构

2.3 溅射的工艺条件

2.4 膜的工艺参数及性质

3．AL/SI接触及其改进

3.1 AL中掺入少量的SI

3.2 AL-阻挡层结构

4．AL膜的电迁移

4.1 提高AL膜沉积温度

4.2 AL中掺入少量的Cu

4.3 三层夹心结构

5．金属膜的应用

5.1 AL膜

5.2 TI膜

5.3 TIN膜

5.4 金属硅化物膜

6．多重内连接工艺

6.1 回付法制作插塞

6.2 高温AL

7．台阶覆盖

7.1台阶覆盖率定义

7.2提高台阶覆盖率的方法

8．Collimetor

9．其它

Chapter RTA

1. RTA原理极其利用

PVD 金属化工艺

引言

本文主要讲述了PVD的工作原理、工艺条件以及工艺参数，并结合实际列举了一些常见问题及解决方法。讲述了金属化材料的一些性质极其在实际中的应用。

1．概述

1.1 金属化工艺的作用

金属化工艺的作用归纳起来有如下几点：

（1）连接作用：将IC里的各元件连起来，形成一个功能完善而强大的IC。

（2）接触作用：在栅区及有源区形成欧姆接触。

（3）阻挡作用：阻挡AL与SI的互溶，防止结的穿通。

（4）ARC作用：降低AL表面反射率，有利暴光。

（5）湿润作用：在热AL工艺中，室温TI有利于AL的流动以及在WCD 工艺之前，要COLLIMETOR溅TI+TIN。

1.2 金属化材料的要求

目前能用作IC金属化的材料很多，有单元金属、多元金属、合金、硅化物等。但是，无论使用哪种材料，都必须满足如下要求：

（1）电阻率要低。

（2）与n型和p型硅能形成欧姆接触。

（3）与SI和SIO2的粘附性好。

（4）抗电迁移能力强。

（5）抗腐蚀能力强。

（6）易刻蚀。

（7）便于超声或热压键合。

（8）膜的应力要低。

1.3 合金材料的使用

由于纯AL材料的电阻率低，与SI（或SIO2）的粘附性又好，而且易刻蚀，是一种作为导电连线的好材料，因而得到广泛使用。然而，纯AL 材料有二个缺点：（1）抗电迁移能力差（2）与SI接触易产生互溶，使结产生击穿。 AL合金材料的使用，如：ALSI，ALSICU等，将有利于改善以上二方面的缺点。

1.4 金属化膜与半导体的接触

金属化膜与半导体的接触特性是衡量IC金属化的重要性能指标。按电流

-电压特性可分为肖特基接触和欧姆接触。良好的金属化膜与半导体的接触特性是选择接触金属的前提。

1.4.1 肖特基接触

肖特基器件是金属与半导体接触面上的表面势垒产生的一种整流接触二极管器件，当金属功函数φm比n型半导体的功函数φsn大或比p型半导体的功函数φsp小时，都可形成肖特基接触。

1.4.2 欧姆接触

一般地，在接触孔里都要求是欧姆接触，理论上讲，只要选择金属功函数φm比n型半导体的功函数φsn小或比p型半导体的功函数φsp大，都可形成欧姆接触，然而，只有很少的金属能同时满足与n型半导体及p型半导体都能形成欧姆接触的要求。实际应用中是通过一薄层重掺杂的半导体与金属接触，使半导体耗尽层很薄，允许电流在界面以遂道方式通过，从而形成欧姆接触。

1.5 薄膜沉积技术

薄膜沉积技术已发展为二个主要方向：（1）物理气相沉积（ Physical Vapor Deposition），简称为PVD。（2）化学气相沉积（ Chemical Vapor Deposition），简称为CVD。PVD沉积技术有蒸镀（Evaporation Deposition）和溅镀（Sputtering Deposition）二种，前者是通过把被蒸镀物体加热，利用被蒸镀物在高温（接近其熔点）时的饱和蒸气压，来进行薄膜沉积的；而后者是利用等离子体中的离子，对被溅镀物体电极（即：靶材）进行轰击，使气相等离子体内具有被溅镀物的粒子（如原子），这些粒子沉积到晶片上就形成薄膜。

2．物理气相沉积

用高能粒子从某种物质的表面撞击出原子的物理过程叫溅射。在大规模IC的生产过程中，溅射法之所以可取代占主导地位的蒸镀法，是因为它有如下优点：

（1）解决了大园片上沉积薄膜厚度均匀性问题。

（2）厚度容易控制，只需调节时间就可得到所需的厚度。

（3）对合金材料，溅射所形成的膜更接近原材料的成分比。

（4）对高熔点材料，溅射可行，如：W，MO，Ta等，但蒸镀法就不行。

（5）溅射材料不易污染。

（6）许多薄膜的性质可以通过改变工艺参数来实现。

2.1 溅射沉积

随着溅射技术的发展，溅射有二极溅射、射频溅射、磁控溅射及偏置溅射等。二极溅射是一种原始的溅射方式，效率很低。射频溅射主要优点是可溅射绝缘体。磁控溅射是一种直流溅射，不可溅射绝缘体，但它是金属溅射最常用的一种方法。下面主要是介绍这种方式。

一般来说，溅射沉积镀膜过程包括四步（1）产生离子并导向靶；（2）离子把靶表面的原子撞击出来；（3）被撞击（溅射）的原子向硅园片运动（4）这些原子在硅园片表面沉积并形成薄膜。

撞击靶材的高能粒子是辉光放电产生的，辉光放电是一种等离子体。等离子体可定义为是一种气体，这种气体是由数目相等的离化正、负离子和非离化的气体颗粒组成。等离子体里有许多被激发且处于激发态的原子，当这些处于激发态的原子获取二次电子的能量后将以光波的波长加以踢出，这便产生辉光放电现象。

当一个固体表面被分子、原子或离子撞击时，会产生许多物理现象。对低能粒子（＜10eV），大多数相互作用只在靶表面进行。对于能量非常低的粒子（＜5eV）相互作用大多撞击粒子的反射或吸附。对超过靶材料化学键结合能（5 ~ 10eV）的低能粒子，会产生迁移或表面损伤现象。在粒子能量非常高（＞10KeV）时，撞击离子会嵌入靶中，这种机制是离子注入的基础。粒子能量在二者之间时，会出现另外二种现象：（1）部分粒子的能量以热能的形式传给靶材料，靶材发热。（2）另一部分能量引起靶表面的原子移动，脱离表面，进入空间（溅射）。

2.2溅射腔体结构

几部分组成，见图2.1.2

（1）真空腔体

（2）靶材（负极）

形成薄膜的一种材料。

（3）衬底

抽气

图2。1。2（a）溅射腔体基本结构

（4）挡板：溅射初期，用挡板将金属与园片隔开，进行预溅射。

（5）抽气系统：使腔体获取高真空。

2.3 溅射的工艺条件

溅射有许多工艺条件，控制好了工艺条件，就控制好了膜的工艺参

数性质，工艺就得到稳定。

（1）溅射气体：溅射气体应不与正在沉积的薄膜反应，这就使气

体仅局限于惰性气体。实际上Ar是最好的，因为它既便宜又有足够的