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
ð Ê ½ ô ¸ ¦ ¹ ¯ Ê ý ¹ Í Ê Æ À Ý · ß ¶ È
1
È (eV) ß ¶ Ý · Æ À Ê
0.8 0.6 0.4 0.2 0 3 Mg
Ag Al
多层金属布线
氧化层平坦化
光刻胶 金属 衬底
氧化层
多层金属布线
铜镶嵌布线
Cu
ILD SiN ILD M1
Cu
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
Al/Al-Si
最大温度(C)
耐熔金属硅化物
• 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
TiSi2 Poly-Si
Pure Al
Al-4%Cu
50 30 10
6 10
J=4E6A/cm2 T=175℃
100 400 1000 MTF (hr)
Al/W-Ti/Pt/Si系统
导电层
Al
W－Ti
阻挡层 接触层 Pt－Si
铜布线
优点 • 电阻率低 • 抗电迁移能力强 最大电流密度是AlCu 的十倍 缺点 • 刻蚀性差
蒸发原理－蒸汽压曲线
蒸发原理－淀积速率
Rd=(M/2k2)1/2(p/T1/2) (A/4r2) 其中
P－蒸汽压 －密度 A－坩埚面积
r

淀积材料
溅射原理－离子轰击表面
反射离子与中性粒子 入射离子 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
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
Au W Pb
Pt
µ Á Ï Ð 1
n-Si
4 5 6
ð Ê ½ ô ¸ ¦ ¹ ¯ Ê ý (eV)
Schottky势垒(Diode)
(A/cm2) -1 10 10-2 10-3
J=Js[exp(qV/kT)-1] •Js=A*T2exp(-q Bn/kT)
W-Si --Js
JF 10-4
10-5 0
420
电阻率(ucm)
2.7
W
Ti Cu TiSi2 TiW
700
>1100 >800 >900 450
5.6
41 1.7 13-25 65-75
n+-Si
>900
500
金属化系统
• • • • • • • • 纯铝系统 铝/硅系统 铝/硅/铜系统 铝/W-Ti/Pt/Si系统 铜互连 耐熔金属硅化物 背面金属化 倒装焊金属化
溅射膜台阶覆盖
溅射膜晶粒结构
淀积膜的应力
压应力 淀积膜
拉应力
硅片
=ET2/t(1-v)3R2 E: 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
带凸点的硅芯片
PCB板或MCM基板
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）
PVD原理
• 成核三阶段 1.固相变成气相 2.气相分组分子原子从源渡越到衬底表面 3.成核，成长，形成固体膜
0.1
0.2
0.3
VF (V)
Schottky势垒(Diode)
Ｃ
Ｂ
Ｅ
Ｃ
Ｂ Ｅ
Pt-Si
欧姆接触
• Rc=(J/ v)v=o-1 (.cm2) • 对低掺杂浓度硅 Rc=（k/qAT）(qBn/kT) • 对高掺杂浓度硅，发生隧道穿透电流 Rc=exp[4(mns)1/2 Bn/ND1/2h]
集成电路工艺技术讲座
第八讲
金属化
（Metallization）
金属化的作用
• • • • 互连线 金属和硅的欧姆接触 MOSFET的栅极 Schottky 二极管
互连线
• 时间常数RC延时
Poly L=1mm d=1um =1000cm SiO2 do=0.5um RC=Rs(L/w)(Lwo/do) =Rs L2 o/do
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
• 电流携带的电子把动量转移给导电的现象
MTF=AJ-n exp[-EA/kT]
L W
= (/d) (L2 o/do)=0.07ns
d do
互连线
• • • • • CMOS倒相器（不考虑互连线延时） 3um RC延时 1ns 2um 0.5ns 1um 0.2ns 0.5um 0.1ns
• 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
qm
q
qs
q (m-)
平均自由程
• • • • • • 腔体中原子分子不发生碰撞的平均距离 ＝KT/P2√2 分子直径, P 压强 室温 分子直径3A ＝1.455/ P(Pa) 蒸发 P＝10-4 (Pa) =145.5米 溅射 P＝0.5 (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
蒸发膜台阶覆盖
低衬底温度，无旋转
加热并旋转
溅射系统
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
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
n+
n+
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,
倒装焊 (Flip Chip)
PbSn凸点 Cu or Au SiO2
Al
倒装焊 (Flip Chip)
MTF=20 年
Jmax=105A/cm2
含硅量对铝膜寿命影响
(hr)
1000 Al-0.3%Si MTF 100 Pure Al 10 2.0 2.5 1/T 3.0 E-3(k) Al-1.8%Si
铝-硅接触形成尖刺
Al SiO2
PN结
Si-sub
Al-Si-Cu系统
% 积 累 失 效 90 70
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
• • • • • ANELVA1013设备，溅射Al-Si-Cu Pressure 8 mTorr SP Power 12kw Heat Temperature 150°C Time 79min
蒸发系统
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-Ag Ti Ni Ag 真空度 <10-5 Torr 蒸发速率 5A/min 5A/min 5A/min 加热温度 100°C 时间 厚度 600A 3000A 11000A