IC工艺技术8 - 金属化.ppt

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1、集成电路工艺技术讲座第八讲金属化（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LWddoPolyL=1mmd=1um=1000cmSiO2do=0.5umRC=Rs(L/w)(Lwo/do)=RsL2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3um1ns2um0.5ns1um0.2ns0.5um0.1

2、ns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qmqq(m-)qsEcEFEvqmqqVbi=q(m-s)qsEcEFEv势垒高度qBn=q(m-)金属半导体接触n-SiSchottky势垒(Diode)JF10-110-2(A/cm2)10-310-410-500.10.20.3VF(V)W-SiJsJ=Js[exp(qV/kT)-1]Js=A*T2exp(qBn/kT)Schottky势垒(Diode)ＣＥＢＥＢＣPt-Si欧姆接触Rc=(J/v)v=o-1(.cm2)对低掺杂浓度硅Rc=（k/qAT

3、）(qBn/kT)对高掺杂浓度硅，发生隧道穿透电流Rc=exp[4(mns)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膜最大温度(C)电阻率(ucm)Al/Al-Si4202.7W7005.6Ti>110041Cu>8001.7TiSi2>90013-25TiW45065-75n+-Si>900500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

4、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，

5、使其移动，金属形成空洞和小丘电迁移现象MTF=AJ-nexp[-EA/kT]MTF=20年Jmax=105A/cm2含硅量对铝膜寿命影响1000100102.02.53.0E-3(k)(hr)Al-1.8%SiAl-0.3%SiPureAl1/TMTF铝-硅接触形成尖刺AlSiO2PN结Si-subAl-Si-Cu系统101004001000MTF(hr)PureAlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175℃积累失效9070503010%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

6、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,TiNAl/W-Ti/Pt/Si系统W－TiAl接触层Pt－Si阻挡层导电层耐熔金属硅化物(Silicide)WSi2,MoSi2,TiSi2,TaSi2,PdSi2,CoSi---SiliSide比PolySi电阻率低一个数量级象PolySi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

7、n+n+Poly-SiTiSi2钨塞(Tungstenplug)Metal1Metal2钨塞ILD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,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

8、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/2k2