IC工艺薄膜物理淀积技术
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常规真空系统： （Ch 12）
油扩散泵原理:(P.245)
无油真空系统：
分子泵
低温吸附泵
溅射离子泵 （Ti升华泵）
• 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）
Gas flow controller
Target Substrate
Gas panel
Chuck
Turbo pump
RF generator Microcontroller operator interface
Pressure controller
Exhaust
Argon
Roughing pump
Silicon and Select Wafer Fab Metals (at 20°C)
Material
Silicon (Si) Doped Polysilicon (Doped Poly)
Aluminum(Al) Copper (Cu) Tungsten (W) Titanium(Ti) Tantalum(Ta)
6、实现肖特基接触的途径
表面态的处理——表面费米能级的工艺调制
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
• 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
Molybdenum(Mo) Platinum(Pt)
Melting Temperature (C)
1412
1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
Resistivity (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
第9章IC工艺薄膜物理淀积技术
Metal Layers in a Chip
Multilevel Metallization on a ULSI Wafer
Passivation layer ILD-6
Bonding pad metal
ILD-5 M-4
ILD-4 M-3
ILD-3
M-2
ILD-2
– 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）
(台阶的应用)
1、金属（Al）的电阻率、粘附性和可光刻性
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
Shallow junction
Junction short
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。
M-1 Via
ILD-1
LI metal
Poly gate
Βιβλιοθήκη Baidu
LI oxide
n+
p+
p+
STI
n+
n+
p+
n-well
p-well
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
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：
– 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~0.01Å
Simple Evaporator
Crucible
Wafer carrier
Evaporating metal Process chamber (bell jar)
Hi-Vac valve Hi-Vac pump
Roughing pump
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
Matching network
Electrode
Blocking capacitor
• 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
FWe ？
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
• 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
油扩散泵原理:(P.245)
无油真空系统：
分子泵
低温吸附泵
溅射离子泵 （Ti升华泵）
• 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）
Gas flow controller
Target Substrate
Gas panel
Chuck
Turbo pump
RF generator Microcontroller operator interface
Pressure controller
Exhaust
Argon
Roughing pump
Silicon and Select Wafer Fab Metals (at 20°C)
Material
Silicon (Si) Doped Polysilicon (Doped Poly)
Aluminum(Al) Copper (Cu) Tungsten (W) Titanium(Ti) Tantalum(Ta)
6、实现肖特基接触的途径
表面态的处理——表面费米能级的工艺调制
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
• 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
Molybdenum(Mo) Platinum(Pt)
Melting Temperature (C)
1412
1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
Resistivity (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
第9章IC工艺薄膜物理淀积技术
Metal Layers in a Chip
Multilevel Metallization on a ULSI Wafer
Passivation layer ILD-6
Bonding pad metal
ILD-5 M-4
ILD-4 M-3
ILD-3
M-2
ILD-2
– 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）
(台阶的应用)
1、金属（Al）的电阻率、粘附性和可光刻性
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
Shallow junction
Junction short
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。
M-1 Via
ILD-1
LI metal
Poly gate
Βιβλιοθήκη Baidu
LI oxide
n+
p+
p+
STI
n+
n+
p+
n-well
p-well
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
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：
– 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~0.01Å
Simple Evaporator
Crucible
Wafer carrier
Evaporating metal Process chamber (bell jar)
Hi-Vac valve Hi-Vac pump
Roughing pump
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
Matching network
Electrode
Blocking capacitor
• 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
FWe ？
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
• 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