金属化铝膜蒸镀原理及特性IC工艺技术

纯铝系统
• 铝， 在硅中是p型杂质，和p型硅能形成低 阻欧姆接触
• 与n型硅（浓度＞1019/cm3）能形成低阻欧 姆接触
• 铝－硅相图
铝－硅相图
纯铝系统优点
• 简单 • 低阻率低 2.7-3-cm • 和SiO2黏附性好 • 容易光刻 • 腐蚀铝时不腐蚀SiO2和硅(H3PO4) • 和P型硅和高浓度N型硅形成低欧姆接触 • 易和外引线键合
Poly L=1mm d=1um =1000cm
SiO2 do=0.5um
RC=Rs(L/w)(Lwo/do) =Rs L2 o/do = (/d) (L2 o/do)
=0.07ns
W L
d do
互连线
• CMOS倒相器（不考虑互连线延时）
特征尺寸
开关延时
3um
1ns
2um
0.5ns
1um
0.2ns
铝膜蒸镀原理及特性
目录:
• 一、蒸发台蒸镀原理； • 二、铝膜反射率；
一、蒸发台蒸镀原理
• 半导体蒸发工艺是指在高真空条件 下，将被淀积材料加热到发出蒸气， 蒸气原子以直线运动通过腔体到达 圆片表面，堆积为薄膜；
• MARK-50蒸发台外观：
• 高真空一般由扩散泵或冷泵 实现，扩散泵系统一般有冷 阱，用以防止泵油蒸气反流 到腔室；
集成电路工艺技术讲座
第八讲
金属化
（Metallization）
内容
• 金属化概论 • 金属化系统 • PVD形成金属膜－蒸发和溅射 • 平坦化和先进的互连工艺
金属化概论
金属化概论
• 互连线 • 金属和硅的接触
欧姆接触 Schottky 二极管 • IC对金属化的要求
互连线
• 时间常数RC延时
• 一是衬底温度高，常常会形成大的晶粒， 导致薄膜的形貌较差；
• 二是到达圆片的原子在它们化学成键成为 薄膜的一部分之前，能沿表面扩散，加热 圆片的温度会极大的增加表面扩散长度；
• 腔室内残余气体尤其是N2会严重恶化反射 率；
• 另外真空腔室中大的颗粒也将影响反射率；
• 此问题可通过提高泵体能力，即提高真空 度及保持腔室内洁净度很好的解决；
如图所示：
• 蒸发材料被加热蒸发后，在真空腔室 中蒸气压非常高，因此我们可得到可 接受的淀积速率；
• 淀积速率通常用石英晶体速率指示仪 测量，所用器件是一个谐振器板，当 晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的 质量将使得频率偏移，由测得得频率 移动可得出淀积速率；
• 蒸发的一个重要限制是台阶覆盖， 一种常用的改进台阶覆盖的方法是 在蒸发过程中旋转圆片，为此，蒸 发台内用于承载圆片的半球形夹具， 被设计成能使圆片环绕蒸发器顶部 转动，此时，侧壁上的淀积速率仍 低于平坦表面，但是它成为轴向均 匀的。
• 另外铝膜下面的材料也会影响淀积膜的形 貌，因而，也会影响膜的镜面反射，大概
服从以下关系式：
•
R∝（λ1-λ源自文库）/（λ1+λ0）
• 其中λ1为铝膜的光学导纳，λ0为衬底的光 学导纳；
影响反射率因素
• 影响铝基金属化层镜面反射的因素包括： • 衬底温度 • 膜厚度 • 腔室内残余气体颗粒
• 衬底温度对反射率影响有两个方面：
旋转行星盘：
台阶覆盖：
二、铝层反射率
• 对半导体器件制造很重要的变量是淀积膜 的反射率，反射率低的膜常常呈现雾状或 乳白色，这些膜的大晶粒会造成光刻困难， 或看不到前一层的对准记号，或由于铝晶 粒散射出杂散光。
• 已经发现反射率服从下列关系：
• R∝e-[4πσ/λ]2
• 其中σ是均方根表面粗糙度，λ是入射波 长，通常λ》 σ。
一些金属膜参数
金属膜 Al/Al-Si W Ti Cu TiSi2 TiW n+-Si
最大温度(C) 420 700 >1100 >800 >900 450 >900
电阻率(ucm) 2.7 5.6 41 1.7 13-25 65-75 500
金属化系统
金属化系统
• 纯铝系统 • 铝/硅系统 • 铝/硅/铜系统 • 铜系统 • 阻挡层金属 • 耐熔金属硅化物 • 钨塞 • 背面金属化
0.5um
0.1ns
• 互连线延时已与晶体管开关延时接近，不可忽略。
金属半导体接触
qm
q
q (m-)
qs Ec qm EF
Ev
q qVbi=q(m-s) qs
Ec EF
Ev 势垒高度qBn= q (m-)
金属半导体接触
势垒高度(eV)
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 3
金属功函数和势垒高度
Ag Al Mg
• 蒸发台加热系统一般有三种：电阻、电感和电子 束。
• 电阻加热系统用一个小线圈和一台可调变压器， 将要蒸发材料放入加热灯丝中加热蒸发，但加热 灯丝本身易造成沾污，且常常没有合用的加热难 熔金属的电阻加热元件；
• 电感加热系统将蒸发材料放入一个BN制成的坩锅 中，一个金属线圈绕在坩锅上，通过这个线圈施 加RF功率，RF射频在材料中感应出涡流电流使 其加热，线圈本身用水冷，保持温度在100℃， 但是坩锅本身材料的沾污仍然是一个严重问题；
• 电子束蒸发系统包括一个加热钨丝环，它 围绕着一根相对钨丝处于高偏压的材料细 棒周围，从钨丝射出的电子轰击材料棒， 提高材料末端的温度，从而产生出蒸发原 子束，高能束流在一个强磁场下弯曲270度， 射到材料表面，达到蒸发目的；电子束加 热系统热电子灯丝易成为沾污源，并且对 于硅基材料，易造成辐射损伤；
Ｃ
Ｂ Ｅ
Ｂ
ＥＣ
Pt-Si
欧姆接触
• Rc=(J/ v)v=o-1 (.cm2) • 对低掺杂浓度硅
Rc=（k/qAT）(qBn/kT) • 对高掺杂浓度硅，发生隧道穿透电流
Rc=exp[4(mns)1/2 Bn/ND1/2h]
接触电阻理论和实际值
IC对金属化的要求
• 低电阻率 • 低欧姆接触 • 容易形成金属膜 • 容易刻蚀成图形＝氧化气氛中稳定 • 机械稳定（黏附性，应力） • 表面光滑 • 工艺过程稳定（兼容性） • 不沾污器件 • 寿命和可靠性 • 能热压键合
Au W Pb Pt
n-Si
4
5
6
金属功函数(eV)
系列1
Schottky势垒(Diode)
(A/cm21)0-1 10-2
10-3
JF 10-4
10-5 Js
W-Si
0 0.1 0.2
J=Js[exp(qV/kT)-1] Js=A*T2exp(qBn/kT)
0.3 VF (V)
Schottky势垒(Diode)