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1、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；,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
2、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；,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
3、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。,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：Re-4/2其中是均方根表面粗糙度，是入射波长，通常 。 另外铝膜下面的材料也会影响淀
4、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（1-0）/（1+0） 其中1为铝膜的光学导纳，0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： 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；,集成电路工艺技术讲座
5、 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,L,W,d,do,Poly L=1mm d=1um =1000cmSiO2 do=0.5um RC=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）特征尺寸 开关延时3um 1ns2um 0.5ns1um 0.2ns0.5um 0.1ns 互连线
6、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 EF,Ev,qm,q,qVbi=q(m-s),qs,Ec EF,Ev,势垒高度qBn= q (m-),金属半导体接触,n-Si,Schottky势垒(Diode),JF,10-1,10-2,(A/cm2),10-3,10-4,10-5,0,0.1,0.2,0.3,VF (V),W-Si,Js,J=Jsexp(qV/kT)-1 Js=A*T2exp(qBn/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）(qB
7、n/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 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,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
8、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 (Electromigration),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/kT,MTF=20 年 Jmax=105A/cm2,含硅量对铝膜寿命影响,1000,100,10,2.0,2.5,3.0,E-3(
9、k),(hr),Al-1.8%Si,Al-0.3%Si,Pure Al,1/T,MTF,铝-硅接触形成尖刺,Al,SiO2,PN结,Si-sub,Al-Si-Cu系统,10 100 400 1000MTF (hr),Pure Al,Al-4%Cu,J=4E6A/cm2 T=175,积累失效,90 7050 30 10,%,铜系统,优点 电阻率低 抗电迁移能力强 最大电流密度是AlCu的十倍 更窄的线宽，更高的集成密度 缺点 刻蚀性差,阻挡层金属,阻止上下层材料（金半或金金）互相混合，提高欧姆接触可靠性 对阻挡层金属的要求* 有很好的阻挡扩散特性* 高电导率，低欧姆接触电阻* 与上下层材料有很好
10、黏附性* 抗电迁移* 很薄并高温下的稳定性 阻挡层金属 Ti,W,Ta,Pt,TiW,TiN,Al/W-Ti/Pt/Si系统,WTi,Al,接触层 PtSi,阻挡层,导电层,耐熔金属硅化物 (Silicide),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-Si,TiSi2,钨塞 (Tungsten plug),Metal 1,Metal 2,钨塞,ILD,背面金属化,背面
11、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,PVD形成金属膜 蒸发和溅射,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） 电镀,PVD原理,成核三阶段1.成膜物质由固相变成气相2.气相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
12、 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,蒸发设备(M
13、ARK-50),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-AgTi 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,溅射设备（ILC-1013）,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: 0.0001% 高密度等离子体密度: 0.03%,磁控溅射系统,真空泵,氩入口,DC 电源,磁铁,靶,阴极,S-Gun磁控溅射源
14、,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,设备:ANELVA1013 溅射Al-Si-Cu 1.2um Pressure 8 mTorr SP Power 12kw Heat Temperature 150C Time 60sec,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,平坦化和先进的互连工艺,多层布线和平坦化,集成电路表面多台阶，起伏不平，集成密度提高加剧了起伏不平程度 表面起伏不平使光刻线宽控制困难，是多层金属布线的重大障碍 多层金属布线技术必须包含平坦化工艺 平坦化工艺按程度分为：平滑，部分平坦化，全局平坦化,
