09薄膜物理淀积技术

第九章：薄膜物理淀积技术第九章：薄膜物理淀积技术Metal Layers in a ChipMultilevel Metallization on a ULSI WaferPassivation layerBonding pad metalp+Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p-Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+p+p+n+n+LI metalCopper Metallization 9.1.薄膜沉积的特点：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：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）热阻加热蒸发镀膜常规真空系统：（Ch 12）油扩散泵原理:无油真空系统：分子泵分子泵低温吸附泵低温吸附泵溅射离子泵溅射离子泵（Ti升华泵）升华泵）真空的测量9.4,热偶规热偶规电离规电离规 坩埚:与蒸发材料的粘润性和互溶度钨、刚玉等 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）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0.01Simple EvaporatorRoughingpumpHi-Vac valveHi-Vac pumpProcess chamber(bell jar)CrucibleEvaporating metalWafer carrier2）电子束蒸发：纯度高镀膜速率易控制3）溅射沉积 直流溅射RF Sputtering SystemArgonGas flow controllerTurbopumpRF generatorMatching networkMicrocontroller operator interfaceExhaustChuckElectrodeTargetSubstrateBlocking capacitorRoughingpumpPressure controllerGas panel 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：工艺：（组分的控制，界面态）（组分的控制，界面态）台阶覆盖：台阶覆盖：(台阶的应用)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）（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Silicon and Select Wafer Fab Metals(at 20C)MaterialMeltingTemperature(C)Resistivity(-cm)Silicon(Si)1412 109Doped Polysilicon(Doped Poly)1412 500 525Aluminum(Al)6602.65Copper(Cu)10831.678Tungsten(W)34178Titanium(Ti)167060Tantalum(Ta)299613 16Molybdenum(Mo)26205Platinum(Pt)177210 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？费米能级钉扎费米能级钉扎3、隧穿效应4、与半导体载流子浓度的关系eFW5、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6、实现肖特基接触的途径表面态的处理金属的选择表面的处理镀膜温度和速率表面费米能级的工艺调制费米能级的工艺调制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：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、性好、能与各型硅材料形成良好的欧姆接触、易于光刻、易于键合易于光刻、易于键合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557C合金处理也将改变界面态2）界面渗透 557C 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 SpikingJunction shortShallow junction尖刺现象的抑制：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。Al/多晶Si双层金属化结构重掺杂（P、As）多晶硅具有低阻、互连性好、多晶粒不易在低温下再结晶等特点。但不适宜在p型层上作互连。Al-阻挡层结构用薄（几十纳米）金属膜（Ti0.030.28W、TiN 0.4）作Al/Si间的阻挡层（可在600C下阻挡Al 20h）。TiW的压应力大，因而目前多用TiN。由于TiW、TiN与Si的欧姆接触和粘附性不好，故需在阻挡层和Si之间加一层金属硅化物（如：PtSi、Pd2Si、CoSi等），形成多层金属化电极。4）电迁移现象：表观现象为，Al电极引线在大电流密度作用下，一部分出现空洞而断裂，一部分出现Al原子堆积而形成小丘。主要机理是，在高电流密度（106A/cm2）Al离子被电子风“吹”离晶格位置。对策包括，Al膜多晶化、Al-Cu等合金、夹心结构、介质膜覆盖和Cu基材料。肖特基接触还大量用于MESFET器件AlCu合金工艺（提高抗电迁移能力，合金工艺（提高抗电迁移能力，Cu0.54%）Cu工艺：抗电迁移能力强、电阻率低、工艺：抗电迁移能力强、电阻率低、较少的工较少的工艺步骤艺步骤通常用溅射（SPUTTER）方法淀积Al9.4.3.钛金属硅化的自对准工艺要点：钛能与硅形成难腐蚀的低电阻的TiSi2合金（工艺难点），而不易与其它介质材料形成化合物。Al栅的困难0.13mFormation of Self-Aligned Metal Silicide(Salicide)2.Titanium depositionSilicon substrate1.Active silicon regionsField oxideSpacer oxidePolysiliconActive silicon region3.Rapid thermal anneal treatmentTitanium-silicon reaction regions4.Titanium stripTiSi2 formation Chip Performance Issues Related to a Salicide StructureSTITiSi2STISGDTiSi2TiSi2TiSi2Reduced sheet resistanceReduced gate to S/D resistanceReduced contact resistanceReduced diode leakage9.4.4.光学薄膜等应用