09 PVD 金属化工艺 - 图文

PVD 金属化工艺

引 言

本文主要结合在线金属化工艺，讲述了PVD的工作原理、工艺条件以及工艺参数，并结合实际生产过程中一些常见问题及解决方法。讲述了金属化材料的一些特性及其在实际中的应用。

1 概述

1.1 薄膜沉积技术

薄膜沉积技术已发展为二个主要方向：（1）化学气相沉积 （ Chemical Vapor Deposition），简称为CVD（2）物理气相沉积 （ Physical Vapor Deposition），简称为PVD。PVD沉积技术有蒸镀（Evaporation Deposition） 和溅镀（Sputtering Deposition）二种，前者通过被蒸镀物体加热，利用被蒸镀物在高温（接近其熔点）时的饱和蒸气压，来进行薄膜沉积的；后者是利用等离子体中的离子，对被溅镀物体电极（即：靶材）轰击，使靶面原子脱离靶材运动到圆片表面沉积成膜。

2．溅射工艺的优点

用高能粒子对某种物质表面轰击出原子的物理过程叫溅射。在大规 模IC的生产过程中，溅射法与蒸镀法相比有如下优点：

（1）解决了大园片上沉积薄膜厚度均匀性问题。 （2）溅射形成的膜与衬底之间黏附性好。

（3）厚度容易控制，只需调整时间就可得到所需厚度。

（4）对合金材料，溅射所形成的膜更接近原材料的成分比。

（5）对高熔点材料，溅射可行，如：W，MO，Ta等，但蒸镀法就 不行。

（6）溅射材料不易污染，且处于高真空状态且工艺过程中靶面、园片

表面一直处于等离子体状态下，可使靶面、园片表面处于清洁状态，增加膜与园片之间的附着力、膜的性质得到改善。 （7）许多薄膜的性质可通过改变某些工艺参数来实现。

2.1 溅射沉积技术发展

溅射技术发展有二极溅射、射频溅射、磁控溅射及偏置溅射等。二极 溅射是一种最原始的溅射方式，效率很低。射频溅射主要优点是可溅射绝缘体。磁控溅射是一种直流溅射，不可溅射绝缘体，但它是金属溅射最常用的一种方法。下面主要是介绍这种方式。 一般来说，溅射沉积镀膜过程包括四步（1）产生离子并导向靶；（2） 离子把靶表面的原子撞击出来；（3）被撞击（溅射）的原子向硅园片运动 （4）这些原子在硅园片表面沉积并形成薄膜。撞击靶材的高能粒子是辉光

放电产生的。当一固体表面被分子、原子或离子撞击时，会产生许多物理现象。对低能粒子（＜10eV ，这种相互作用多只发生在靶表面；而对于

能量非常低的粒子（＜5eV＝ 这种相互作用大多表现为撞击粒子的反射或被吸附。对超过靶材料化学键结合能（5 ~ 10eV）的低能粒子，会产生迁移或表面损伤现象。在粒子能量非常高（＞10KeV）时，撞击离子会嵌入靶中，这种机制是离子注入的基础。当粒子能量在二者之间时，会出现以下二种现象：（1）粒子部分能量以热能形式传递给靶材，使靶材温度升高。（2）另部分能量则会引起靶表面的原子移动，脱离表面，进入空间（溅射），在电场作用下高速运动到园片表面，沉积成膜。

2.2磁控溅射腔体结构 靶材 一般地，溅射腔体由下列 几个基本部分组成，见图2.1.2（a）: （1）真空腔体 DC 高真空腔体。 气体入口 真空要求：〈5E-7 TORR （2）靶材（负极） 用于形成薄膜的材料。有材料纯度、 成分、厚度等具体技术要求。 （3）衬底 园片 园片支座和加热器等。 抽气

图2。1。2（a）溅射腔体基本结构

（4）挡板：溅射初期，用于将金属与园片隔开的挡板，进行预溅射。 （5）抽气系统：几组级联泵共同作用使腔体获取高真空。 2.3 溅射的工艺条件

溅射有许多工艺条件，控制好了工艺条件，就控制好了膜的工艺参 数性质。

（1）工艺气体：工艺气体应不与要沉积的薄膜反应，所以气体仅局限

于惰性气体。Ar2是最常用的，既便宜又可保证足够的离化率 。 （2）工艺压力：压力的范围是由辉光放电所要保证一定的气体离化率

（磁控溅射的下限是2～3mT）和气体离子轰击出靶原子运动的平均自由程（上限为100mT）的要求来折中确定的。

（3）真空度：溅射腔体必须具备一定的真空度，一般≤5.0E-7Torr

即可。真空度低，沉积的膜易被氧化或与某些残气反应，影响薄

膜性质。

（4）衬底温度： PVD工艺中一个重要因素。温度变化会影响

膜的许多参数，如：应力、均匀性、电阻率及台阶覆盖、淀积速

率等。

（5）溅射功率：离子要轰击靶材必须具备一定的能量，这能量对不同

的工艺有具体要求，具体是由所要成膜特性所定。溅射功率最直

接影响到溅射速率。

（6）磁场：磁场最直接影响到溅射速率及膜的均匀性。

（7）间距：指圆片到靶的距离，一般为4 ~ 6cm。它最直接影响到

溅射速率及膜的均匀性。 2.4膜的工艺参数及性质

（1）膜的应力：一般膜的应力越小越好，应力范围为1E08 ~ 5E10

dynes/cm2；低温金属膜的应力为Tensile stress；影响应力最大的

是温度；应力的大小将影响到：（a）粘附性不好（b）使膜较脆 （2）膜的晶粒：一般地，温度越高，晶粒越大。晶粒越大有利于防

止电迁移，但对光刻及腐蚀来说，晶粒越小越好。

（3）膜的厚度：膜的厚度可以简单地通过时间的调整来控制，其他工

艺参数一定时，溅射速率基本为常数。这样调时间基本可确定膜厚。

（4）膜的方块电阻：一般膜厚与方块电阻有对应关系，可由方块电阻

来监控膜厚。

（5）膜的均匀性：均匀性越好，就越有利于刻蚀，IC的可靠性越高。

DEV/AVE

（5）膜的反射率：膜反射率监控可以检验膜生成质量及腔体状况,越

高越好。另一方面，AL金属膜反射率很高对光刻会产生不利的影响。工艺制程里通常要在AL膜上溅一层ARC（ANTIREFLECTIVE COAT）来抗反射。

3.金属化材料的要求

目前能用作IC金属化的材料很多，有单元金属、多元金属、合金、硅化 物等。但是，无论使用哪种材料，都必须满足如下要求：

（1）电阻率要低。

（2）与n型和p型硅均能形成欧姆接触。 （3）与SI和SIO2的粘附性好。 （4）抗电迁移能力强。 （5）抗腐蚀能力强。 （6）易刻蚀。

（7）便于超声或热压键合。 （8）膜的应力要低。

3.1 纯AL布线缺陷 3.1.1 ALSI互溶现象

由于纯AL材料的电阻率低，与SI（或SIO2）的粘附性又好，而且易 刻蚀，是一种作为导电连线的好材料，因而得到广泛使用。然而，纯AL 材料有二个缺点：（1）抗电迁移能力差 （2）与SI接触易与其互溶，使 结产生击穿。 AL合金材料的使用，如：ALSI，ALSICU等，将有利于改 善以上二方面的缺点。

AL与SI之间没有硅化物形成，但可形成合金。AL在SI中的溶解度 很低，但SI在AL中的溶解度却很高。因此，当AL与SI接触时，在退火过程

中，就会有相当可观的SI溶到AL中去。这将引起AL尖刺现象，严重会引起结短路，影响可靠性及成品率。

另外，衬底晶向对尖刺的形貌会产生影响，在（111）晶向，尖刺趋向横 向扩展，而在（100）晶向，尖刺趋向纵向扩展；我们知道，双 极电路采用（111） SI作为衬底，而在MOS电路中，为了减少界面态的影响而采用（100）SI作为

衬底，因此，尖刺现象在MOS电路中表现得尤为明显。所以，必须对尖刺现象 进行改善。

3.1.2 AL膜的电迁移现象

电迁移现象是一种在大电流密度作用下的质量输运现象。质量输运是沿电子流方向进行的，结果在一个方向形成空洞，而在另一方向则由于 AL原子的堆积而形成小丘，前者会使连线开路，后者会使光刻困难或使多层布线间短路，当线条变得越窄时，这个问题更为突出。

针对纯AL布线的局限性，需要从材料、工艺结构两方面进行改进。

3.2 AL中掺入少量的SI

在纯AL中加入少量SI形成ALSI合金材料，一般为1%（Wt%），可以在很大程度上解决AL尖刺现象。但是它将引入另一个问题，就是SI 析出问题。即在合金退火过程中，一部分SI会溶解AL中直至饱和，而剩余的SI将会以微粒形式存在AL中，当冷却的时候，这些微粒SI会成为析出沉积SI的核，并逐步增大成为一个个SI单晶的结瘤。这会使结接触电阻增大，另一方面会使键合变得困难。这就迫使人们去寻找新的金属化结构。

3.3 AL中掺入少量的Cu

AL中加入少量的Cu可以改善电迁移现象，一般为0.5-4%(wt%)；但过份加

入Cu会使AL膜电阻率升高以及使AL刻蚀有难度。为什么加入少量的Cu可以改善电迁移现象呢？在金属多晶膜中，金属离子的传输主要是沿晶界进行的，加入Cu后，Cu原子与AL晶界缺陷的相互作用，这种相互作用表现在以溶质原子本身或以CuAl2形式在晶界处沉淀，占据了晶界处的空位。由于可供AL原子扩散的晶界空位点大大减少，或者说AL在CuAl2中的扩散系数小，从而改善了电迁移。

3.4 提高AL膜沉积温度

我们知道，温度越高，成长的晶粒也就比较大，沉积薄膜的均匀性也就比较好。大的晶粒不易产生质量的输运，从而改善了电迁移。

3.5 AL-阻挡层结构

现在普遍使用的结构为TI/TIN/AL，TI起作粘附层及接触之用。在高温下，TI与SI会形成一层电阻率极低的TISI2。TIN起阻挡层用，它可有效地阻止AL/SI间的互溶，防止了结穿的发生。

4.在线生产运用几种金属化工艺 4.1在线溅射形成薄膜种类

4.1.1 AL膜

ALSI；ALSICU 4.1.2 TI

室温TI作用（湿润作用）、接触电阻小、形成阻挡层 4.1.3 TIN

抗反射层、BARRIER层

4.1.4 WSI

与POLY形成低电阻的复合栅，减少RC TIME

4.1.5 CrSi：做热敏电阻

4.1.6 ARC（Anti-reflective Coat）：抗反射层

4.2在线两种标准金属化工艺结构：. 4.2.1标准冷AL工艺

TI700(300℃) HJRTA.3 ALSICU10000A(300℃)+α-SI α-SI ALSICU10000（300℃） TIN TISIX

4.2.2 标准热AL工艺

TI375A+TIN600A(300℃) HJRTA.3 TI500A(50℃)+ALSICU10000A(400℃)

TIN350A

ALSICU1000（400 ℃） TI（50 ℃） TIN TISIX

5.金属热处理

5.1合金化（5“背面合金炉为例）

5.1.1目的

（1）消除表面DEFECT，降低陷阱电荷。 （2）使AL，SI接触良好。 5.1.2主要工艺参数：（1）温度：退火温度为300C、450C。 （2）H2流量：1500 sccm （3）N2流量：15 slpm 5.1.3主要的工艺：300C退火、450C合金 5.2 快速热退火工艺 5.2.1目的

快速热退火工艺，因其快速，所以RTA工艺所提供的热预算（Thermal Budget）非常低，这对于MOS管源极与漏极杂质再扩散及结深等的影响非常小。 .5.2.2主要工艺

5.2.2.1用于WSI膜退火

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