IC工藝技術(shù)8-金屬化課件

集成電路工藝技術(shù)講座

第八講（Metallization）金屬化的作用互連線金屬和硅的歐姆接觸MOSFET的柵極Schottky二極管互連線時間常數(shù)RC延時

LWddoPolyL=1mmd=1um=1000cmSiO2do=0.5umRC=Rs(L/w)(Lwo/do)=RsL2o/do=(/d)(L2o/do)=0.07ns互連線CMOS倒相器（不考慮互連線延時）3umRC延時1ns2um0.5ns1um0.2ns0.5um0.1ns互連線延時已與晶體管開關(guān)延時接近，不可忽略。金屬半導(dǎo)體接觸qmqq(m-)qsEcEFEvqmqqVbi=q(m-s)qsEcEFEv勢壘高度qBn=q(m-)金屬半導(dǎo)體接觸n-SiSchottky勢壘(Diode)

JF10-110-2(A/cm2)10-310-410-500.10.20.3VF(V)W-Si--JsJ=Js[exp(qV/kT)-1]Js=A*T2exp(-qBn/kT)

Schottky勢壘(Diode)ＣＥＢＥＢＣPt-Si歐姆接觸Rc=(J/v)v=o-1(.cm2)對低摻雜濃度硅Rc=（k/qAT）(qBn/kT)對高摻雜濃度硅，發(fā)生隧道穿透電流Rc=exp[4(mns)1/2Bn/ND1/2h]接觸電阻理論和實(shí)際值IC對金屬化的要求低電阻率低歐姆接觸容易形成金屬膜容易刻蝕成圖形＝氧化氣氛中穩(wěn)定機(jī)械穩(wěn)定（黏附性，應(yīng)力）表面光滑工藝過程穩(wěn)定（兼容性）不沾污器件壽命和可靠性能熱壓鍵合一些金屬膜參數(shù)金屬膜最大溫度(C)電阻率(ucm)Al/Al-Si4202.7W7005.6Ti>110041Cu>8001.7TiSi2>90013-25TiW45065-75n+-Si>900500金屬化系統(tǒng)純鋁系統(tǒng)鋁/硅系統(tǒng)鋁/硅/銅系統(tǒng)鋁/W-Ti/Pt/Si系統(tǒng)銅互連耐熔金屬硅化物背面金屬化倒裝焊金屬化純鋁系統(tǒng)鋁，在硅中是p型雜質(zhì)，和p型硅能形成低阻歐姆接觸與n型硅（濃度＞1019/cm3）能形成低阻歐姆接觸鋁－硅相圖鋁－硅相圖純鋁系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)簡單低阻率低2.7-3-cm和SiO2黏附性好容易光刻腐蝕鋁時不腐蝕SiO2和硅(H3PO4)和P型硅和高濃度N型硅形成低歐姆接觸易和外引線鍵合純鋁系統(tǒng)缺點(diǎn)電遷移現(xiàn)象比較嚴(yán)重鋁能在較低溫度下再結(jié)晶產(chǎn)生小丘金和鋁鍵合產(chǎn)生紫斑，降低可靠性軟，易擦傷多層布線中，鋁－鋁接觸不理想鋁－硅合金化時形成尖刺電遷移現(xiàn)象電流攜帶的電子把動量轉(zhuǎn)移給導(dǎo)電的金屬原子，使其移動，金屬形成空洞和小丘電遷移現(xiàn)象MTF=AJ-nexp[-EA/kT]MTF=20年Jmax=105A/cm2含硅量對鋁膜壽命影響1000100102.02.53.0E-3(k)(hr)Al-1.8%SiAl-0.3%SiPureAl1/TMTF鋁-硅接觸形成尖刺AlSiO2PN結(jié)Si-subAl-Si-Cu系統(tǒng)101004001000MTF(hr)PureAlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175℃積累失效9070503010%Al/W-Ti/Pt/Si系統(tǒng)W－TiAl接觸層Pt－Si阻擋層導(dǎo)電層銅布線優(yōu)點(diǎn)電阻率低抗電遷移能力強(qiáng)最大電流密度是AlCu的十倍缺點(diǎn)刻蝕性差耐熔金屬硅化物WSi2,MoSi2,TiSi2,TaSi2,PdSi2,CoSi---SiliSide比PolySi電阻率低一個數(shù)量級象PolySi一樣可以自對準(zhǔn)和硅低阻接觸不產(chǎn)生pn結(jié)穿透黏附性好，應(yīng)力小和鋁接觸電阻低，不和鋁反應(yīng)耐熔金屬硅化物n+n+Poly-SiTiSi2背面金屬化背面金屬化的目的背面減薄后金屬化金屬化系統(tǒng)Cr-Au,Cr-Ni-Au,Ti-Ni-Au,Ti-Ni-Ag,V-Ni-Au,V-Ni-Ag,倒裝焊(FlipChip)PbSn凸點(diǎn)CuorAuSiO2Al倒裝焊(FlipChip)帶凸點(diǎn)的硅芯片PCB板或MCM基板金屬膜形成方法物理氣相淀積（PVD）*蒸發(fā)－材料置于真空環(huán)境下并加熱至熔點(diǎn)以上，原子以直線運(yùn)動方式在襯底成膜*濺射－離子撞擊靶材表面，濺出的材料淀積在襯底成膜化學(xué)氣相淀積（CVD）PVD原理成核三階段1.固相變成氣相2.氣相分組分子原子從源渡越到襯底表面3.成核，成長，形成固體膜蒸發(fā)原理－蒸汽壓曲線蒸發(fā)原理－淀積速率淀積材料Rd=(M/2k2)1/2(p/T1/2)(A/4r2)其中P－蒸汽壓－密度A－坩堝面積r濺射原理－離子轟擊表面入射離子反射離子與中性粒子二次電子濺射原子表面濺射原理－入射離子能量和產(chǎn)額濺射原理－轟擊離子原子序數(shù)和產(chǎn)額平均自由程腔體中原子分子不發(fā)生碰撞的平均距離＝KT/P2√2分子直徑,P壓強(qiáng)室溫分子直徑3A＝1.455/P(Pa)蒸發(fā)P＝10-4(Pa)=145.5米濺射P＝0.5

(Pa)=2.91cm散射幾率和臺階覆蓋散射幾率n/no=1-exp(-d/)no－總分子數(shù)n－遭碰撞分子數(shù)蒸發(fā)n/no=0.3%非隨機(jī)性，直線渡越，臺階覆蓋差濺射n/no=100%渡越方向隨機(jī)性臺階覆蓋好蒸發(fā)系統(tǒng)坩堝電阻加熱坩堝電子束加熱多組分薄膜的蒸發(fā)蒸發(fā)工藝參數(shù)MARK-50蒸發(fā)Ti-Ni-AgTiNiAg真空度<10-5Torr蒸發(fā)速率5A/min5A/min5A/min加熱溫度100°C時間厚度600A3000A11000A蒸發(fā)膜臺階覆蓋加熱并旋轉(zhuǎn)低襯底溫度，無旋轉(zhuǎn)濺射系統(tǒng)高密度等離子濺射－

磁控濺射等離子體內(nèi)加一磁場，電子作螺旋運(yùn)動．增加碰撞幾率和離子密度通常等離子密度:0.0001%高密度等離子體密度:0.03%磁控濺射濺射合金膜靶的化學(xué)配比多靶濺射反應(yīng)濺射（其中一種元素可從氣體中獲得時）如TiN濺射刻蝕（反濺射）在正式濺射前，改變襯底電位，可使襯底被濺射，鋁或硅上殘留氧化層和沾污被去除，使金屬和金屬，硅和金屬接觸良好．濺射工藝參數(shù)ANELVA1013設(shè)備，濺射Al-Si-CuPressure8mTorrSPPower12kwHeatTemperature150°CTime79min濺射膜臺階覆蓋濺射膜晶粒結(jié)構(gòu)淀積膜的應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力淀積膜硅片=ET2/t(1-v)3R2

E:楊氏模量v:泊松比T:硅片厚度