第八章蒸發(fā)與濺射

（優(yōu)選）第八章蒸發(fā)與濺射當(dāng)前第1頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)8.1引言物理氣相沉積（PVD）—PVD（PhysicalVaporDeposition）—半導(dǎo)體傳統(tǒng)的金屬化工藝PVD的發(fā)展：燈絲蒸發(fā)→電子束蒸發(fā)→濺射SSI、MSI→電子束蒸發(fā)LSI以上→濺射金屬沉積系統(tǒng)：蒸發(fā)、濺射、金屬CVD、銅電鍍當(dāng)前第2頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)薄膜沉積技術(shù)分類、濺射當(dāng)前第3頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)8.2蒸發(fā)工藝原理蒸發(fā)的概念蒸發(fā)是在高真空中，把坩鍋中的固體成膜材料加熱并使之變成氣態(tài)原子沉積到硅片上的物理過程。工藝目的在IC晶片上形成金屬互連結(jié)構(gòu)成膜材料的加熱方式：蒸發(fā)器分為電阻加熱、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱等三種蒸發(fā)的本底真空通常低于10－6Torr。當(dāng)前第4頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)簡單的蒸發(fā)系統(tǒng)當(dāng)前第5頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)電子束蒸發(fā)的概念：其成膜材料的加熱方式是電子束加熱，在高真空中，電子槍發(fā)出電子經(jīng)系統(tǒng)加速聚焦形成電子束、再經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)入射到坩鍋的成膜材料上將其加熱，并使之變成氣態(tài)原子沉積到硅片上的物理過程。在蒸發(fā)技術(shù)中，電子束蒸發(fā)占主流。當(dāng)前第6頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)電子束蒸發(fā)系統(tǒng)

電子束蒸發(fā)系統(tǒng)當(dāng)前第7頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)電子束蒸發(fā)設(shè)備：

當(dāng)前第8頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)電子束蒸發(fā)系統(tǒng)的組成：

1.高壓電源系統(tǒng)

2.真空系統(tǒng)

3.電子加速聚焦偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

4.工藝腔

5.水冷坩鍋系統(tǒng)（通常為帶旋轉(zhuǎn)的四坩鍋）

6.載片架當(dāng)前第9頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)電子束蒸發(fā)過程1.在高真空腔中，電子槍發(fā)射的電子經(jīng)加速獲得足夠的動能并聚焦形成電子束。

2.電子束經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)，向成膜材料轟擊加熱并使之蒸發(fā)

3.成膜材料蒸發(fā)出的原子或分子在高真空環(huán)境下的平均自由程增加，并以直線運(yùn)動形式撞到硅片表面凝結(jié)形成薄膜。當(dāng)前第10頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：

1.沉積速率高，常用于功率器件的厚金屬化電極（厚度達(dá)到5.0μm）蒸發(fā)的缺點(diǎn)：

1.臺階覆蓋能力差

2.不能沉積金屬合金因缺點(diǎn)1，大規(guī)模IC工藝中，蒸發(fā)被濺射所替代當(dāng)前第11頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)8.3濺射工藝原理濺射的概念：在高真空下，利用高能粒子撞擊具有高純度的靶材料表面，撞擊出的原子最后沉積在硅片上的物理過程。工藝目的：同蒸發(fā)在濺射工藝中，本底真空通常低于10－7Torr，工作真空10－3Torr左右。選惰性氣體氬Ar離子為高能粒子，不與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是重離子獲得的能量大。當(dāng)前第12頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)濺射過程濺射有6個基本步驟：

1.在高真空腔等離子體中產(chǎn)生正氬離子，并向具有負(fù)電勢的靶材料加速；

2.在加速中離子獲得動能，并轟擊靶；

3.離子通過物理過程從靶表面撞擊出（濺射）原子；

當(dāng)前第13頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

4.被撞擊出（濺射）的原子遷移到硅表面；

5.被濺射的原子在硅片表面凝聚并形成膜。薄膜

具有與靶相同的材料組分；

6.多于粒子由真空泵抽走。當(dāng)前第14頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)濺射過程當(dāng)前第15頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)濺射過程當(dāng)前第16頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)濺射離子的能量范圍0.5KEV～5.0KEV能量太小轟擊不出來靶材料原子，能量太大產(chǎn)生氬離子注入現(xiàn)象。濺射率（濺射產(chǎn)額）每個入射離子轟擊出的靶原子數(shù)影響濺射率的因素

1.轟擊離子的入射角

2.靶材料的組分和它的幾何因素

3.轟擊離子的質(zhì)量

4.轟擊離子的能量當(dāng)前第17頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

濺射的優(yōu)點(diǎn)：

1.臺階覆蓋能力好

2.能沉積金屬合金（成膜組分與靶材組分相同）濺射的缺點(diǎn)：

1.沉積速率低當(dāng)前第18頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

濺射系統(tǒng)分類1.RF（射頻）濺射系統(tǒng)2.磁控濺射系統(tǒng)3.IMP（離子化的金屬等離子體）系統(tǒng)RF（射頻）濺射系統(tǒng)缺點(diǎn)：濺射速率低。磁控濺射系統(tǒng)是現(xiàn)代IC制造應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)。IMP的優(yōu)點(diǎn)：填充高深寬比的通孔和狹窄溝道能力強(qiáng)，滿足深亞0.25μm的應(yīng)用。當(dāng)前第19頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)RF（射頻）濺射系統(tǒng)當(dāng)前第20頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)磁控濺射的概念磁控濺射是一種高密度等離子體濺射，是利用靶表面附近的正交電磁場使電子平行靶表面做回旋運(yùn)動，從而大大增加了與氬原子的碰撞幾率，顯著地提高了等離子體區(qū)的Ar離子密度，使濺射速率成倍增加。在濺射技術(shù)中，磁控濺射占主流。當(dāng)前第21頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

磁控濺射的優(yōu)點(diǎn)：

1.比普通濺射的濺射速率提高了5～40倍

2.使用射頻電源，能濺射介質(zhì)

3.濺射時基片溫升低（基本上不受電子轟擊，二次電子損傷?。┊?dāng)前第22頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)磁控濺射系統(tǒng)的組成磁控濺射設(shè)備非常復(fù)雜，系統(tǒng)主要由7個部分組成：

1.高壓射頻電源及電氣系統(tǒng)

2.真空系統(tǒng)

3.工藝腔

4.靶組水冷系統(tǒng)

5.傳片系統(tǒng)

6.載片架

7.氬氣供給系統(tǒng)當(dāng)前第23頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)磁控濺射系統(tǒng)

磁控濺射系統(tǒng)當(dāng)前第24頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)磁控濺射靶組件

當(dāng)前第25頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)8.4蒸發(fā)和濺射的比較特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電子束蒸發(fā)1.成膜速率高（能蒸發(fā)5微米厚的鋁膜）1.臺階覆蓋差2.不能沉積合金材料磁控濺射1.能沉積復(fù)雜的合金材料2.能沉積難熔金屬和非金屬3.臺階覆蓋好4.很好的均勻性控制5.能多腔集成去除表面沾污（原位反濺刻蝕）1.成膜速率適中2.設(shè)備復(fù)雜昂貴當(dāng)前第26頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)8.5先進(jìn)的金屬化技術(shù)

芯片金屬化技術(shù)術(shù)語

1.

金屬化—在芯片制造過程中，在絕緣介質(zhì)膜上沉積金屬膜以及隨后刻印圖形以便形成互連金屬線和孔填充塞的過程。

2.

互連—用導(dǎo)電材料（如鋁、多晶硅或銅）制成的連線用以傳輸電信號。當(dāng)前第27頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

3.

接觸—硅芯片內(nèi)的器件與第一金屬層之間在硅表面的連接。

4.

通孔—穿過各層介質(zhì)層從某一金屬層到相鄰的另一金屬層形成電通路的開口。

5.

填充薄膜—金屬薄膜填充通孔以便在兩層金屬層之間形成電連接。當(dāng)前第28頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

現(xiàn)代集成電路對金屬膜的要求

1.電阻率低：能傳導(dǎo)高電流密度

2.粘附性好：能夠粘附下層襯底實(shí)現(xiàn)很好的電連接，半導(dǎo)體與金屬連接時接觸電阻低

3.易于沉積：容易成膜

當(dāng)前第29頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

4.易于光刻與刻蝕：對下層襯底有很高的選擇比，易于平坦化

5.

可靠性高：延展性好、抗電遷徙能力強(qiáng)

6.

抗腐蝕性能好

7.應(yīng)力低：機(jī)械應(yīng)力低減小硅片的翹曲，避免金屬線斷裂、空洞。當(dāng)前第30頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)集成電路金屬化技術(shù)常用金屬的熔點(diǎn)和電阻率當(dāng)前第31頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)集成電路金屬化技術(shù)常用的金屬種類鋁鋁銅合金銅阻擋層金屬硅化物金屬填充塞當(dāng)前第32頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)鋁鋁的優(yōu)點(diǎn)

1.電阻率低（2.65μΩ.cm）

2.與硅和二氧化硅的粘附性好

3.與高摻雜的硅和多晶硅有很好的歐姆接觸（合金化溫度450～500℃）

4.易于沉積成膜

5.易于光刻和刻蝕形成微圖形當(dāng)前第33頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)6.抗腐蝕性能好，因?yàn)殇X表面總是有一層抗腐蝕性好的氧化層（Al2O3）

7.鋁的成本低鋁的缺點(diǎn)

1.純鋁與硅的合金化接觸易產(chǎn)生PN結(jié)的穿刺現(xiàn)象

2.能出現(xiàn)電遷徙現(xiàn)象當(dāng)前第34頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)結(jié)穿刺現(xiàn)象在純鋁和硅的界面加熱合金化過程中（通常450～500℃），硅將開始溶解在鋁中直到它在鋁中的濃度達(dá)到0.5％為止，硅在鋁中的溶解消耗硅且由于硅界面的情況不同，在硅中形成空洞發(fā)生PN穿刺現(xiàn)象。結(jié)穿刺引起PN結(jié)短路。當(dāng)前第35頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)解決結(jié)穿刺問題的方法：

1.采用鋁－硅（1~2%）合金或鋁－硅（1~2%）－銅（2~4%）合金替代純鋁；

2.引入阻擋層金屬化以抑制硅擴(kuò)散。電遷徙現(xiàn)象當(dāng)金屬線流過大密度的電流時，電子和金屬原子的碰撞引起金屬原子的移動導(dǎo)致金屬原子的消耗和堆積現(xiàn)象的發(fā)生，這種現(xiàn)象稱為電遷徙現(xiàn)象。當(dāng)前第36頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)電遷徙現(xiàn)象會造成金屬線開路、兩條鄰近的金屬線短路。純鋁布線在大電流密度工作時，最容易發(fā)生電遷徙現(xiàn)象?？刂萍冧X電遷徙現(xiàn)象的辦法是采用鋁－銅（0.5~4%）合金替代純鋁當(dāng)前第37頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)電遷徙現(xiàn)象的SEM照片電遷徙當(dāng)前第38頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)歐姆接觸金屬與硅接觸時，該系統(tǒng)的I－V特性曲線符合歐姆定律，這樣的接觸被稱為歐姆接觸。當(dāng)前第39頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)銅在深亞微米IC制造中，RC延遲是一個突出問題

IC的集成度↑特征尺寸↓→金屬線的寄生電阻↑→RC延遲↑→IC的功耗↑性能↓在深亞微米技術(shù)中，由于銅金屬線的寄生電阻比鋁小，銅互連將取代鋁互連

當(dāng)前第40頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

銅的優(yōu)點(diǎn)

1.電阻率更低（1.678μΩ－cm）使相同線寬傳導(dǎo)的電流大

2.降低動態(tài)功耗：由于RC延遲減小

3.更高的集成度：由于線寬減小

4.可靠性高：抗電遷徙

5.更少的工藝步驟：采用大馬士革方法，減少20％～30％

6.易于沉積（銅CVD、電鍍銅）

7.銅的成本低當(dāng)前第41頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

銅的缺點(diǎn)

1.不能干法刻蝕銅

2.銅在硅和二氧化硅中擴(kuò)散很快，芯片中的銅雜質(zhì)沾污使電路性能變壞

3.抗腐蝕性能差，在低于200℃的空氣中不斷被氧化工藝措施

1.采用大馬士革工藝回避干法刻蝕銅

2.用金屬鎢做第一層金屬解決了電路底層器件的銅沾污當(dāng)前第42頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)大馬士革工藝大馬士革是敘利亞的一個城市名，早期大馬士革的一位藝術(shù)家發(fā)明了在金銀首飾上鑲嵌珠寶的工藝，該工藝被命名為大馬士革。集成電路的銅布線技術(shù)和大馬士革工藝相似。當(dāng)前第43頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)傳統(tǒng)Al布線工藝與大馬士革Cu工藝的差別當(dāng)前第44頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)傳統(tǒng)布線工藝與雙大馬士革工藝的差別當(dāng)前第45頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

阻擋層金屬阻擋層金屬的作用

1.提高歐姆接觸的可靠性；

2.消除淺結(jié)材料擴(kuò)散或結(jié)穿刺；

3.阻擋金屬雜質(zhì)的擴(kuò)散（如銅擴(kuò)散）阻擋層金屬的基本特性

1.有很好的阻擋擴(kuò)散特性

2.低電阻率具有很低的歐姆接觸電阻

3.與半導(dǎo)體和金屬的粘附性好，接觸良好當(dāng)前第46頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)4.抗電遷徙

5.膜很薄且高溫下穩(wěn)定性好

6.抗腐蝕和氧化常用的阻擋層金屬

1.Ti＋TiN2.Ta＋TaN（主要用于銅布線）當(dāng)前第47頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

硅化物硅化物是在高溫下難熔金屬（通常是鈦Ti、鈷

Co）與硅反應(yīng)形成的金屬化合物（如TiSi2、

CoSi2

）硅化物的作用

1.降低接觸電阻。

2.作為金屬與有源層的粘合劑。當(dāng)前第48頁\共有53頁\編于星期三\10點(diǎn)

硅化物的基本特性

1.電阻率低（Ti：60μΩ－cm

，TiSi2

：13～