《IC工艺技术8-金属化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IC工艺技术8-金属化（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、集成电路工艺技术讲座第八讲金属化 （Metallization）金属化的作用 互连线 金属和硅的欧姆接触 MOSFET的栅极 Schottky 二极管互连线 时间常数RC延时LWd doPoly L=1mm d=1um =1000cm SiO2 do=0.5umRC=Rs(L/w)(Lwo/do)=Rs L2 o/do= (/d) (L2 o/do)=0.07ns互连线 CMOS倒相器（不考虑互连线延时） 3um RC延时 1ns 2um 0.5ns 1um 0.2ns 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qmqq (m-)qsEc EFEvqm
2、q qVbi=q(m- s)qsEc EFEv 势垒高度qBn= q (m- )金属半导体接触n-SiSchottky势垒(Diode)JF10-1 10-2(A/cm2 )10-310-410-500.10.20.3VF (V)W-Si-JsJ=Jsexp(qV/kT)-1 Js=A*T2exp(-q Bn/kT)Schottky势垒(Diode)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=exp4(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
3、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 能热压键合一些金属膜参数金属膜最大温度(C)电阻率(ucm)Al/Al-Si4202.7W7005.6Ti110041Cu8001.7TiSi290013-25TiW45065-75n+-Si900500金属化系统 纯铝系统 铝/硅系统 铝/硅/铜系统 铝/W-Ti/Pt/Si系统 铜互连 耐熔金属硅化物 背面金属化 倒装焊金属化纯铝系统 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
4、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 易和外引线键合纯铝系统缺点 电迁移现象比较严重 铝能在较低温度下再结晶产生小丘 金和铝键合产生紫斑，降低可靠性 软，易擦伤 多层布线中，铝铝接触不理想 铝硅合金化时形成尖刺电迁移现象 电流携带的电子把动量转移给导电的金属 原子，使其移动，金属形成空洞和小丘电迁移现象MTF=AJ-n exp-EA/kTMTF=20 年 Jmax=105A/cm2含硅量对铝膜寿命影响1000100102.02.53.0E-3(k)(hr )Al-1
5、.8%SiAl-0.3%SiPure Al1/TMTF铝-硅接触形成尖刺AlSiO2PN结Si-subAl-Si-Cu系统610 100 400 1000MTF (hr) Pure AlAl-4%CuJ=4E6A/cm2 T=175积累失效90 7050 30 10%Al/W-Ti/Pt/Si系统WTiAl接触层 PtSi阻挡层导电层铜布线优点 电阻率低 抗电迁移能力强 最大电流密度是AlCu 的十倍 缺点 刻蚀性差耐熔金属硅化物 WSi2,MoSi2,TiSi2,TaSi2,PdSi2,CoSi-SiliSide 比Poly Si电阻率低一个数量级 象Poly Si一样可以自对准 和硅低阻接
6、触 不产生pn结穿透 黏附性好，应力小 和铝接触电阻低，不和铝反应耐熔金属硅化物n+n+Poly-SiTiSi2背面金属化 背面金属化的目的 背面减薄后金属化 金属化系统 Cr-Au, Cr-Ni-Au, Ti-Ni-Au, Ti-Ni-Ag, V-Ni-Au, V-Ni-Ag,倒装焊 (Flip Chip)PbSn凸点Cu or AuSiO2 Al倒装焊 (Flip Chip)带凸点的硅芯片PCB板或MCM基板金属膜形成方法 物理气相淀积（PVD）*蒸发材料置于真空环境下并加热至熔 点以上，原子以直线运动方式在衬底成膜*溅射离子撞击靶材表面，溅出的材料 淀积在衬底成膜 化学气相淀积（CVD）
7、PVD原理 成核三阶段1.固相变成气相2.气相分组分子原子从源渡越到衬底表面3.成核，成长，形成固体膜蒸发原理蒸汽压曲线蒸发原理淀积速率淀积材料Rd=(M/2k2)1/2(p/T1/2)(A/4r2) 其中 P蒸汽压 密度 A坩埚面积r溅射原理离子轰击表面入射离子反射离子与中性粒子二次电子溅射原子表面溅射原理入射离子能量和产额溅射原理轰击离子原子序数和产额平均自由程 腔体中原子分子不发生碰撞的平均距离 KT/P22 分子直径, P 压强 室温 分子直径3A 1.455/ P(Pa) 蒸发 P10-4 (Pa) =145.5米 溅射 P0.5 (Pa) =2.91cm散射几率和台阶覆盖 散射几率
8、n/no=1- exp(-d/) no总分子数n遭碰撞分子数 蒸发 n/no=0.3% 非随机性，直线渡越 ，台阶覆盖差 溅射 n/no=100% 渡越方向随机性台阶覆盖好蒸发系统坩埚电阻加热坩埚电子束加热多组分薄膜的蒸发蒸发工艺参数 MARK-50 蒸发Ti-Ni-Ag Ti Ni Ag 真空度 10-5 Torr 蒸发速率 5A/min 5A/min 5A/min 加热温度 100C 时间 厚度 600A 3000A 11000A蒸发膜台阶覆盖加热并旋转低衬底温度，无旋转溅射系统高密度等离子溅射 磁控溅射 等离子体内加一磁场，电子作螺旋运动 增加碰撞几率和离子密度 通常等离子密度: 0.0
9、001% 高密度等离子体密度: 0.03%磁控溅射溅射合金膜 靶的化学配比 多靶溅射 反应溅射（其中一种元素可从气体中获 得时）如TiN溅射刻蚀（反溅射） 在正式溅射前，改变衬底电位，可使衬 底被溅射，铝或硅上残留氧化层和沾污 被去除，使金属和金属，硅和金属接触 良好溅射工艺参数 ANELVA1013设备，溅射Al-Si-Cu Pressure 8 mTorr SP Power 12kw Heat Temperature 150C Time 79min溅射膜台阶覆盖溅射膜晶粒结构淀积膜的应力压应力拉应力 淀积膜硅片=ET2/t(1-v)3R2E: 杨氏模量 v: 泊松比 T: 硅片厚度 R:硅片半径 t：膜厚淀积膜的反射率 光刻工艺要求金属膜的反射率大于0.6 表面雾状和晶粒粗大使反射率降低 影响反射率因素：成膜温度，膜厚,腔内残余气体(H2,N2,O2,H2O)，淀积速率多层金属布线氧化层平坦化衬底氧化层光刻胶金属多层金属布线铜镶嵌布线ILDILDM1CuSiNCu
