集成电路工艺第八章：蒸发与溅射

8.5 先进的金属化技术

芯片金属化技术术语
1. 金属化是在芯片制造过程中，在绝缘介质膜上沉积 金属膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和孔 填充塞的过程。 2. 互连指导电材料如铝、多晶硅或铜制成的连线用
以传输电信号
3. 接触是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅 表面的连接 4. 通孔是穿过各层介质层从某一金属层到相邻的另 一金属层形成电通路的开口 5. 填充薄膜是指金属薄膜填充通孔以便在两层金属
2. Ta＋TaN（主要用于铜布线）

硅化物 硅化物是在高温下难熔金属（通常是钛Ti、钴 Co）与硅反应形成的金属化合物（如TiSi2、 CoSi2 ）

硅化物的作用
1. 降低接触电阻，
2. 作为金属与有源层的粘合剂。

硅化物的基本特性
1. 电阻率低（Ti：60 μΩ－cm ， TiSi2 ：13～

工艺目的：同蒸发

溅射Leabharlann Baidu程 溅射有6个基本步骤：
1. 在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有 负电势的靶材料加速 2. 在加速中离子获得动能，并轰击靶 3. 离子通过物理过程从靶表面撞击出（溅射）原子
4. 被撞击出（溅射）的原子迁移到硅表面
5. 被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成膜。薄膜具
6. 载片架

电子束蒸发过程
1. 在高真空腔中，电子枪发射的电子经加速获得足
够的动能并聚焦形成电子束。
2. 电子束经磁场偏转，向成膜材料轰击加热并使之 蒸发 3. 成膜材料蒸发出的原子或分子在高真空环境下的 平均自由程增加，并以直线运动形式撞到硅片表面 凝结形成薄膜。

蒸发的优点：
1. 金属膜沉积速率高，常用于功率器件的厚金属化 电极（厚度达到5.0μm）
4. 易于沉积成膜
5. 易于光刻和刻蚀形成微图形
6. 抗腐蚀性能好，因为铝表面总是有一层抗腐蚀性 好的氧化层（Al2O3） 7. 铝的成本低

铝的缺点
1. 纯铝与硅的合金化接触易产生PN结的穿刺现象
2. 能出现电迁徙现象

结穿刺现象在纯铝和硅的界面加热合金化过程中 （通常450～500℃） ，硅将开始溶解在铝中直到它 在铝中的浓度达到0.5％为止，硅在铝中的溶解消耗 硅且由于硅界面的情况不同，在硅中形成空洞发生 PN穿刺现象。结穿刺引起PN结短路。

解决结穿刺问题的方法： 1. 采用铝－硅（1~2%）合金或铝－硅（1~2%）
－铜（2~4%）合金替代纯铝；

2. 引入阻挡层金属化以抑制硅扩散。
电迁徙现象当金属线流过大密度的电流时，电子
和金属原子的碰撞引起金属原子的移动导致金属 原子的消耗和堆积现象的发生，这种现象称为电 迁徙现象。

束、再经磁场偏转入射到坩锅的成膜材料上加热，
并使之变成气态原子沉积到硅片上的物理过程。

在蒸发技术中，电子束蒸发占主流。

电子束蒸发系统
电子束蒸发系统

电子束蒸发设备：

电子束蒸发系统的组成：
1. 高压电源系统 2. 真空系统 3. 电子加速聚焦偏转系统 4. 工艺腔
5. 水冷坩锅系统（通常为带旋转的四坩锅）
线断裂、空洞。

集成电路金属化技术常用金属的熔点和电阻率

集成电路金属化技术常用的金属种类 铝 铝铜合金 铜 阻挡层金属 硅化物 金属填充塞


铝
铝的优点
1. 电阻率低（2.65μΩ.cm）
2. 与硅和二氧化硅的粘附性好
3. 与高掺杂的硅和多晶硅有很好的欧姆接触（合金
化温度450～500℃）
4. 可靠性高：抗电迁徙
5. 更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少20 ％～30％ 6. 易于沉积（铜CVD、电镀铜） 7. 铜的成本低

铜的缺点
1. 不能干法刻蚀铜
2. 铜在硅和二氧化硅中扩散很快，芯片中的铜杂质
沾污使电路性能变坏
3. 抗腐蚀性能差，在低于200℃的空气中不断被氧化

工艺措施
1. 采用大马士革工艺回避干法刻蚀铜 2. 用金属钨做第一层金属解决了电路底层器件的铜 沾污

磁控溅射系统的组成 磁控溅射设备非常复杂，系统主要由7个部分组成：
1. 高压射频电源及电气系统
2. 真空系统 3. 工艺腔 4. 靶组水冷系统 5. 传片系统 6. 载片架 7. 氩气供给系统

磁控溅射系统
磁控溅射系统

磁控溅射靶组件
8.4 蒸发和溅射的比较
特点 优 点 缺 点 电子 1.成膜速率高（能蒸发5微米 1.台阶覆盖差 束蒸 厚的铝膜） 2.不能沉积合金 发 材料 1.能沉积复杂的合金材料 1.成膜速率适中 磁控 2.能沉积难熔金属和非金属 2.设备复杂昂贵 溅射 3.台阶覆盖好 4.很好的均匀性控制 5.能多腔集成去除表面沾污 （原位反溅刻蚀）
电迁徙现象会造成金属线开路、两条邻近的金属线 短路。


纯铝布线在大电流密度工作时，最容易发生电迁徙 现象。 控制纯铝电迁徙现象的办法是采用铝－铜（0.5~4%） 合金替代纯铝

电迁徙现象的SEM照片
电迁徙

欧姆接触

金属与硅接触时，该系统的I－V特性曲线符合
欧姆定律，这样的接触被称为欧姆接触。
层之间形成电连接。

现代集成电路对金属膜的要求
1. 电阻率低：能传导高电流密度 2. 粘附性好：能够粘附下层衬底实现很好的电连接， 半导体与金属连接时接触电阻低 3. 易于沉积：容易成膜
4. 易于光刻与刻蚀：对下层衬底有很高的选择比， 易于平坦化 5. 可靠性高：延展性好、抗电迁徙能力强 6. 抗腐蚀性能好 7. 应力低：机械应力低减小硅片的翘曲，避免金属
第八章：蒸发与溅射
8.1 引 言
半导体传统金属化工艺—物理气相沉积（PVD） PVD的发展：灯丝蒸发→电子束蒸发→溅射 SSI、MSI→电子束蒸发 LSI以上→溅射 金属沉积系统： 1. 蒸发 2. 溅射 3. 金属CVD 4. 铜电镀

8.2 蒸发工艺原理

蒸发的概念
蒸发是在高真空中，把坩锅中的固体成膜材料加
17μΩ－cm ）
2. 高温稳定性好，抗电迁徙性能好 3. 与硅栅工艺的兼容性好

常用的硅化物
1. 硅化钛TiSi2 2. 硅化钴CoSi2 （0.25um及以下）

CMOS结构的硅化物

自对准金属硅化物的形成

金属填充塞

0.18μm STI 硅化钴 6层金属IC的逻辑器件
本章习题

书中第12章： 1、 6、11、13
热并使之变成气态原子沉积到硅片上的物理过程。

工艺目的
在IC晶片上形成金属互连结构

成膜材料的加热方式：蒸发器分为电阻加热、电
子束加热、高频感应加热等三种

蒸发的本底真空通常低于 10－6Torr。

简单的蒸发系统

电子束蒸发的概念：
电子束蒸发是电子束加热方式的蒸发，是在高真
空中，电子枪发出电子经系统加速聚焦形成电子
4. 轰击离子的能量

溅射的优点：
1. 台阶覆盖能力好 2. 能沉积金属合金（成膜组分与靶材组分相同）

溅射的缺点：
1. 溅射速率低

溅射系统分类 1. RF（射频）溅射系统
2. 磁控溅射系统
3. IMP（离子化的金属等离子体）系统 RF（射频）溅射系统缺点：溅射速率低。 磁控溅射系统是现代IC制造应用最广泛的系统。 IMP的优点：填充高深宽比的通孔和狭窄沟道能 力强，满足深亚0.25μm的应用。

蒸发的缺点：
1. 台阶覆盖能力差 2. 不能沉积金属合金

因缺点1，大规模IC工艺中，蒸发被溅射所替代
8.3 溅射工艺原理

溅射的概念：
溅射是在高真空下，利用高能粒子撞击具有高纯
度的靶材料表面，撞击出的原子最后沉积在硅片
上的物理过程。

在溅射工艺中，本底真空通常低于10－7Torr，工 作真空10－3Torr左右。选惰性气体氩Ar离子为高 能粒子，不与其它物质发生化学反应，是重离子 获得的能量大。
2. 消除浅结材料扩散或结穿刺； 3. 阻挡金属杂质的扩散（如铜扩散）

阻挡层金属的基本特性
1. 有很好的阻挡扩散特性 2. 低电阻率具有很低的欧姆接触电阻 3. 与半导体和金属的粘附性好，接触良好
4. 抗电迁徙 5. 膜很薄且高温下稳定性好 6. 抗腐蚀和氧化

常用的阻挡层金属
1. Ti＋TiN

大马士革工艺 大马士革是叙利亚的一个城市名，早期大马士革的 一位艺术家发明了在金银首饰上镶嵌珠宝的工艺，
该工艺被命名为大马士革。集成电路的铜布线技术
和大马士革工艺相似。

传统Al布线工艺与大马士革Cu工艺的差别

传统布线工艺 与双大马士革工艺的差别

阻挡层金属 阻挡层金属的作用
1. 提高欧姆接触的可靠性；

RF（射频）溅射系统

磁控溅射的概念 磁控溅射是一种高密度等离子体溅射，是利用靶 表面附近的正交电磁场使电子平行靶表面做回旋 运动，从而大大增加了与氩原子的碰撞几率，显 著地提高了等离子体区的Ar离子密度，使溅射速 率成倍增加。

在溅射技术中，磁控溅射占主流。

磁控溅射的优点：
1. 比普通溅射的溅射速率提高了5～40倍 2. 使用射频电源，能溅射介质 3. 溅射时基片温升低（基本上不受电子轰击，二次电 子损伤小）


铜
在深亚微米IC制造中， RC延迟是一个突出问题
IC的集成度↑特征尺寸↓→金属线的寄生电阻
↑→RC延迟↑→IC的功耗↑性能↓

在深亚微米技术中，由于铜金属线的寄生电阻比 铝小，铜互连将取代铝互连

铜的优点
的电流大
1. 电阻率更低（1.678μΩ－cm）使相同线宽传导 2. 降低动态功耗：由于RC延迟减小 3. 更高的集成度：由于线宽减小
本章作业
1. 简要描述溅射（即回答溅射的概念）
2. 列出并解释溅射过程的6个步骤，并写出溅
射的优点
3. 列出并描述金属用于IC制造的7种要求
有与靶相同的材料组分 6. 多于粒子由真空泵抽走

溅射过程

溅射过程


溅射离子的能量范围
0.5KEV～5.0KEV 能量太小轰击不出来靶材料原子，能量太大产生 氩离子注入现象。 溅射率（溅射产额）每个入射离子轰击出的靶原 子数 影响溅射率的因素


1. 轰击离子的入射角 2. 靶材料的组分和它的几何因素 3. 轰击离子的质量