09薄膜物理淀积技术
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薄膜淀积工艺(下)
完全保形的均匀覆
不均匀覆盖，台阶
不均匀覆盖，台阶
盖
侧壁下方及台阶底
顶部有拱形突起
部薄
b. 溅射法形成的台阶形貌虽优于蒸发法，但不如CVD法。
c.
改善措施：
I) 衬底加热溅射。
II) 在硅片衬底上加RF偏压，圆片被高
能离子轰击，使溅射材料再淀积。
III) 强迫填充溅射。
IV) 准直溅射。
VI) 离化金属等离子体淀积（IMP， 图12.21 接触孔处台阶覆盖随时间
加热温度有限
提高蒸发温度
只加热淀积材料
加热元件沾污
坩锅材料沾污
存在辐射损伤
4、蒸发工艺的限制因素
1) 薄膜的淀积速率：
高速率与均匀性的矛盾
2) 淀积薄膜材料的纯度
图12.4 在高的淀积速
率下材料平衡蒸汽压
使坩埚正上方区域形
成粘滞流，在坩埚顶
部上方10cm处形成虚
拟源
3) 淀积薄膜的台阶覆盖性
当表面吸附原子移动率低时，阴影
即淀积速率的均匀性。
图12.3 圆片淀积位置
3) 淀积速率的公式：
其中，ρ是淀积材料的质量密度。 Rd的单位是：m/s
讨论
影响淀积速率的主要参数：
a. 被蒸发材料本身的性质
b. 淀积温度：温度越高，Pe越高
c. 腔室和坩锅的几何形状
3、 常用蒸发系ห้องสมุดไป่ตู้（加热器）
电阻加热蒸发、（电感）感应加热蒸发、电子束蒸发
则不发生溅射。
10～30eV
当能量较低时，溅射
产额随能量的平方增
加，至100eV左右；
此后，溅射产额随能
量线性增加，至750eV
微电子工艺原理-第6讲薄膜工艺物理气相淀积共68页
初、中真空度的获得 用活塞/叶片/柱塞
/隔膜的机械运动将 气体正向移位 有三步骤：捕捉气 体-压缩气体-排出 气体 压缩比
23
旋片泵 旋片泵主要由定子、转
子、旋片、定盖、弹簧等零件组 成。
其结构是利用偏心地装在定子腔 内的转子和转子槽内滑动的借助 弹簧张力和离心力紧贴在定子内 壁的两块旋片，当转子旋转时， 始终沿定子内壁滑动。
2
•饱和蒸汽压P 在一定温度下真空室内蒸发物质的 蒸汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力
•蒸发温度 在饱和蒸汽压为133.3*10-2Pa时所对应的 物质温度
17
蒸发速率 蒸发 速率和温度、蒸 发面积、表面的 清洁程度、加热 方式有关，工程 上将源物质、蒸 发温度和蒸发速 率之间关系绘成 为诺漠图。
21
气体传导率C
C Q P1 P2
C与电导率一样并联相加；串联时倒数相加 若大量气体流过真空系统，要保持腔体压
力接近泵的压力，就要求真空系统有大的 传导率----管道直径；泵放置位置
•泵的抽速Sp----体积置换率
Sp
Q Pp
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
dνp dt
29.09.2019
泵入口压力
22
1.3真空泵
化学汽相淀积（CVD）（常压 CVD、低压 CVD、等离子 增强 CVD、汽相外延等）
外延生长（同质外延、异质外延、正外延、反外延）
29.09.2019
2
薄膜的生长三阶段
晶核的形成
聚集成束
形成连续膜
29.09.2019
3
薄膜特性要求
1、台阶的覆盖能力 2、低的膜应力 3、高的深宽比间隙填充能力 4、大面积薄膜厚度的均匀性 5、大面积薄膜的介电\电学\折射率特性 6、高纯度和高密度 7、与衬底或下层膜有好的粘附能力
/隔膜的机械运动将 气体正向移位 有三步骤：捕捉气 体-压缩气体-排出 气体 压缩比
23
旋片泵 旋片泵主要由定子、转
子、旋片、定盖、弹簧等零件组 成。
其结构是利用偏心地装在定子腔 内的转子和转子槽内滑动的借助 弹簧张力和离心力紧贴在定子内 壁的两块旋片，当转子旋转时， 始终沿定子内壁滑动。
2
•饱和蒸汽压P 在一定温度下真空室内蒸发物质的 蒸汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力
•蒸发温度 在饱和蒸汽压为133.3*10-2Pa时所对应的 物质温度
17
蒸发速率 蒸发 速率和温度、蒸 发面积、表面的 清洁程度、加热 方式有关，工程 上将源物质、蒸 发温度和蒸发速 率之间关系绘成 为诺漠图。
21
气体传导率C
C Q P1 P2
C与电导率一样并联相加；串联时倒数相加 若大量气体流过真空系统，要保持腔体压
力接近泵的压力，就要求真空系统有大的 传导率----管道直径；泵放置位置
•泵的抽速Sp----体积置换率
Sp
Q Pp
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
dνp dt
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泵入口压力
22
1.3真空泵
化学汽相淀积（CVD）（常压 CVD、低压 CVD、等离子 增强 CVD、汽相外延等）
外延生长（同质外延、异质外延、正外延、反外延）
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2
薄膜的生长三阶段
晶核的形成
聚集成束
形成连续膜
29.09.2019
3
薄膜特性要求
1、台阶的覆盖能力 2、低的膜应力 3、高的深宽比间隙填充能力 4、大面积薄膜厚度的均匀性 5、大面积薄膜的介电\电学\折射率特性 6、高纯度和高密度 7、与衬底或下层膜有好的粘附能力
工艺技术(薄膜工艺-淀积)
D W
500 Å
250 Å
高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
制备薄膜的方法之一：
化学汽相淀积（CVD） (Chemical Vapor Deposition)
通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。
中反等应真温空度气度一态下般源（在约6500.-17～505℃托）
计算机终端 工作接口
载气
气流控制器
液态源 载N气2 O2
LPCVD
炉
前
三温区
驱
加热器
物
气
体
加热器 TEOS
温度控制器
炉温控制器
压力控制器 尾气
真空泵
固态源
等离子体辅助CVD
等离子体
等离子体是一种高能量、离子化的气体。
当从中性原子中去除一个价电子时， 形成正离子和自由电子。
polySi
n+
n+ Fox
p-well
polySi
p+
p+
n-well
silicon substrate
CMOS Contacts & Interconnects
DPUVRelVipavmonEesaxlEvirpotetiopczshRISaRueMOtersDGiseois1nsttEtchback
Deposition Chamber
Resistively Heated Pedestal
高密度等离子体淀积腔
Photo 11.4
用CVD淀积不同的材料薄膜
CVD单晶硅 (外延)：
最初的外延生长技术是指： 利用化学气相淀积的方法在单晶衬底上生长一薄层单晶硅的技术。
第五章 薄膜淀积与外延技术(2)
5.2 化学气相沉积
对薄膜的要求
1. 组分正确，玷污少，电学和机械性能好
2. 片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好
3. 台阶覆盖性好（conformal coverage — 保角覆盖）
4. 填充性好
5. 平整性好
5.2 化学气相沉积
CVD法制备薄膜具有很多优点，如薄膜组分任意控制、 生长温度低于组成物质的熔点、膜层均匀性好、薄膜纯度 高、针孔少、结构致密。 CVD分类： 按 淀 积 温 度 ： 低 温 （ 200 ～ 500℃ ） 、 中 温 （500 ～1000℃）和高温（1000 ～1300℃） 按反应器内的压力：常压和低压 按反应器壁的温度：热壁和冷壁 按反应激活方式：热激活和冷激活
介质薄膜：SiO2，Si3N4,
5.1 概述
淀积是指在wafer上淀积一层膜的工艺，淀积薄膜的工艺 有很多种，化学气相淀积、物理气相淀积、蒸发等很 多。 化学气相淀积（CVD）是通过气态物质的化学反应在 wafer表面淀积一层固态薄膜的工艺。CVD法淀积薄 膜可用以下几个步骤解释薄膜的生长过程：参加反应 的气体传输到wafer表面；反应物扩散至wafer表面并 吸附在其上；wafer表面发生化学反应，生成膜分子 和副产物；膜分子沿wafer表面向膜生长区扩散并与 晶格结合成膜；反应副产物 随气流流动至排气口， 被排出淀积区。
主要问题是源物质的选择（固相产物与薄膜材 料相同）和确定分解温度。
5.2 化学气相沉积
（1）氢化物
700-1000℃ SiH4 Si + 2H2
H-H键能小，热分解温度低，产物无腐蚀性。
（2）金属有机化合物
420℃ 2Al(OC3H7 )3 Al2O3 + 6C3H6 + 3H2O
09薄膜物理淀积技术
6、实现肖特基接触的途径
表面态的处理——表面费米能级的工艺调制
金属的选择 表面的处理 镀膜温度和速率
9.4.2. Al在硅器件中的特点 Al是硅平面器件中的三种基本材料之一
主要做欧姆电极和连线，也能与p型硅形成 欧姆接触。
欧姆电极和连线材料的要求： 电阻率低、稳定抗氧化、与基质材料的粘接 性好、能与各型硅材料形成良好的欧姆接触、 易于光刻、易于键合
– 平衡蒸气压：
– 合金与化合物蒸发：P305 无分解蒸发、分解蒸发；不同蒸气压
的蒸发
– 膜厚的实时测量：
石英振荡法（原理？）
精度可达~0.01Å
Simple Evaporator
Crucible
Wafer carrier
Evaporating metal Process chamber (bell jar)
– 等离子体溅射：低压（电压、气压） – 磁控溅射：提高离化率、分离非离化离子 – 优点：？
– 工艺： （组分的控制，界面态）
– 台阶覆盖：
(台阶的应用)
• 9.3. PVD的主要应用 PVD技术主要用于金属膜的制备
（也可以用于非金属薄膜材料的生长）
9.3.1 主要金属材料 连线材料（铝Al、铝铜合金、铜Cu） 阻挡层金属（W、Ti、Mo、Ta等） 硅化物（Pt、W、Ti等） 金属填充物（W等） 其它
Al/多晶Si双层金属化结构——重掺杂（P、 As）多晶硅具有低阻、互连性好、多晶粒不 易在低温下再结晶等特点。但不适宜在p型 层上作互连。
Al-阻挡层结构——用薄（几十纳米）金 属膜（Ti0.03~0.28W、TiN 0.4） 作Al/Si间的阻 挡层（可在600°C下阻挡Al 20h）。TiW的 压应力大，因而目前多用TiN。由于TiW、 TiN与Si的欧姆接触和粘附性不好，故需在 阻挡层和Si之间加一层金属硅化物（如： PtSi、Pd2Si、CoSi等），形成多层金属化电 极。
表面态的处理——表面费米能级的工艺调制
金属的选择 表面的处理 镀膜温度和速率
9.4.2. Al在硅器件中的特点 Al是硅平面器件中的三种基本材料之一
主要做欧姆电极和连线，也能与p型硅形成 欧姆接触。
欧姆电极和连线材料的要求： 电阻率低、稳定抗氧化、与基质材料的粘接 性好、能与各型硅材料形成良好的欧姆接触、 易于光刻、易于键合
– 平衡蒸气压：
– 合金与化合物蒸发：P305 无分解蒸发、分解蒸发；不同蒸气压
的蒸发
– 膜厚的实时测量：
石英振荡法（原理？）
精度可达~0.01Å
Simple Evaporator
Crucible
Wafer carrier
Evaporating metal Process chamber (bell jar)
– 等离子体溅射：低压（电压、气压） – 磁控溅射：提高离化率、分离非离化离子 – 优点：？
– 工艺： （组分的控制，界面态）
– 台阶覆盖：
(台阶的应用)
• 9.3. PVD的主要应用 PVD技术主要用于金属膜的制备
（也可以用于非金属薄膜材料的生长）
9.3.1 主要金属材料 连线材料（铝Al、铝铜合金、铜Cu） 阻挡层金属（W、Ti、Mo、Ta等） 硅化物（Pt、W、Ti等） 金属填充物（W等） 其它
Al/多晶Si双层金属化结构——重掺杂（P、 As）多晶硅具有低阻、互连性好、多晶粒不 易在低温下再结晶等特点。但不适宜在p型 层上作互连。
Al-阻挡层结构——用薄（几十纳米）金 属膜（Ti0.03~0.28W、TiN 0.4） 作Al/Si间的阻 挡层（可在600°C下阻挡Al 20h）。TiW的 压应力大，因而目前多用TiN。由于TiW、 TiN与Si的欧姆接触和粘附性不好，故需在 阻挡层和Si之间加一层金属硅化物（如： PtSi、Pd2Si、CoSi等），形成多层金属化电 极。
薄膜淀积与外延技术
（3）化学角度
有机薄膜 无机薄膜
编辑课件
3
5.1 概述
（4）组成
金属薄膜 非金属薄膜
（5）物性
硬质薄膜
声 学 薄 膜
热 学 薄 膜
金属导电薄膜
半
导
体
薄
膜
超
导
薄
膜
介电薄膜
磁
阻
薄
膜
光
学
薄编膜辑课件
薄膜的一个重要参数 厚度，决定薄膜性能、质量
通常，膜厚 < 数十um， 一般在1um 以下。
20
5.2 化学气相沉积
编辑课件
反应方向判据：
Gr 0
可以确定反 应温度。
21
5.2 化学气相沉积
平衡常数 K P 的意义： ▪ 计算理论转化率
▪ 计算总压强、配料比对反应的影响
Pi
ni P ni
通过平衡常数可以确定系统的热力学平衡问题。
编辑课件
22
5.2 化学气相沉积
CVD的（化学反应）动力学
4
5.1 概述
两种常见的薄膜结构 • 单层膜
• 周期结构多层膜
编辑课件
A Substrate
B A B A Substrate
5
5.1 概述
在集成电路制备 中，很多薄膜材 料由淀积工艺形 成
Deposition
✓半导体薄膜：Si
✓介质薄膜：SiO2，Si3N4, BPSG，…单晶薄膜：Si, SiGe（外延）
的 利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬
淀 底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。
积 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering
第五章 薄膜淀积与外延技术
5.1 概述
方两 1）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition 式类 (CVD) 主 一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底 表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技 要 术。 的 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD 淀 2）物理气相淀积 — Physical Vapor Deposition 积 (PVD) 利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子 转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering
5.2 化学气相沉积
1150-1200℃ SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl 325-475℃ SiH4 + 2O2 SiO2 + 2H2O 450℃ Al(CH3 )6 + 12O2 Al2O3 + 9H2O + 6CO2 750℃ 3SiH4 + 4NH3 Si3 N4 + 12H2 850-900℃ 3SiCl4 + 4NH3 Si3 N4 + 12HCl 350-500℃ SiH4 + B2H6 + 5O2 B2O3 SiO2 (硼硅玻璃) + 5H2O
CVD反应动力学分析的基本任务是：通过实验 研究薄膜的生长速率，确定过程速率的控制机制， 以便进一步调整工艺参数，获得高质量、厚度均匀 的薄膜。 反应速率 τ是指在反应系统的单位体积中，物 质（反应物或产物）随时间的变化率。
5.2 化学气相沉积
温度对反应速率的影响： Van’t Hoff 规则：反应温度每升高 10 ℃，反应 速率大约增加2-4倍。这是一个近似的经验规则。
薄膜淀积工艺上.pptx
吸附过程
a 代表被吸附的物质
表面总反应
■ 吸附在硅表面的H2被解吸附，留下
空位，使反应可继续进行。
■
被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直
到找到空位成键。
■
表面扩散长度长时，淀积均匀；表
面扩散长度短时，淀积不均匀。
温度上升，扩散长度提高
淀积均匀性提高
图13.3 Si CVD过程中硅片表面模型
第22页/共36页
对于高纯净环境，采用干泵以避免油蒸汽污染。
(2)
高真空泵：
抽吸腐蚀性和有毒气体，或大容量气体时，采用动量转移
型泵，如扩散泵和涡轮分子泵；
抽吸小容量气体，或需要超高洁净度时，采用气体吸附型泵，
如冷泵（低温泵）等。
7、真空密封：O形圈（低中真空）、金属法兰（高真空）
8、气压测量：电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子
体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。
(2) 物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）：利用物理
机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，
如铝、钨、钛等。
(3) 其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等
SOG（Spin on Glass）
第3页/共36页
金属Cu的淀积
(7) 副产物离开反应器的输运
1、反应腔内的气体流动
最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率
第23页/共36页
2、反应腔内的化学反应
4、反应腔内的化学反应：
化学平衡与质量作用定律
(1) 假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，
且只进行一种反应，如：
(2) 化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变
a 代表被吸附的物质
表面总反应
■ 吸附在硅表面的H2被解吸附，留下
空位，使反应可继续进行。
■
被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直
到找到空位成键。
■
表面扩散长度长时，淀积均匀；表
面扩散长度短时，淀积不均匀。
温度上升，扩散长度提高
淀积均匀性提高
图13.3 Si CVD过程中硅片表面模型
第22页/共36页
对于高纯净环境，采用干泵以避免油蒸汽污染。
(2)
高真空泵：
抽吸腐蚀性和有毒气体，或大容量气体时，采用动量转移
型泵，如扩散泵和涡轮分子泵；
抽吸小容量气体，或需要超高洁净度时，采用气体吸附型泵，
如冷泵（低温泵）等。
7、真空密封：O形圈（低中真空）、金属法兰（高真空）
8、气压测量：电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子
体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。
(2) 物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）：利用物理
机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，
如铝、钨、钛等。
(3) 其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等
SOG（Spin on Glass）
第3页/共36页
金属Cu的淀积
(7) 副产物离开反应器的输运
1、反应腔内的气体流动
最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率
第23页/共36页
2、反应腔内的化学反应
4、反应腔内的化学反应：
化学平衡与质量作用定律
(1) 假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，
且只进行一种反应，如：
(2) 化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变
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6、实现肖特基接触的途径
表面态的处理——表面费米能级的工艺调制
金属的选择 表面的处理 镀膜温度和速率
9.4.2. Al在硅器件中的特点 Al是硅平面器件中的三种基本材料之一
主要做欧姆电极和连线，也能与p型硅形成 欧姆接触。
欧姆电极和连线材料的要求： 电阻率低、稳定抗氧化、与基质材料的粘接 性好、能与各型硅材料形成良好的欧姆接触、 易于光刻、易于键合
4）电迁移现象：
表观现象为，Al电极引线在大电流密度作 用下，一部分出现空洞而断裂，一部分出现 Al原子堆积而形成小丘。
主要机理是，在高电流密度（~106A/cm2）Al离子 被电子风“吹”离晶格位置。 对策包括，Al膜多晶化、Al-Cu等合金、夹心 结构、介质膜覆盖和Cu基材料。
肖特基接触还大量用于MESFET器件
– 工艺： （组分的控制，界面态）
– 台阶覆盖：
(台阶的应用)
• 9.3. PVD的主要应用 PVD技术主要用于金属膜的制备
（也可以用于非金属薄膜材料的生长）
9.3.1 主要金属材料 连线材料（铝Al、铝铜合金、铜Cu） 阻挡层金属（W、Ti、Mo、Ta等） 硅化物（Pt、W、Ti等） 金属填充物（W等） 其它
AlCu合金工艺（提高抗电迁移能力，Cu0.5~4%）
Cu工艺：抗电迁移能力强、电阻率低、较少的工 艺步骤
通常用溅射（SPUTTER）方法淀积Al
9.4.3. 钛金属硅化的自对准工艺 要点：钛能与硅形成难腐蚀的低电阻的TiSi2合金 （工艺难点），而不易与其它介质材料形 成化合物。 Al栅的困难
晶粒自由能对成核的影响： 临界半径—表面能的约束
界面亲和能对成核的影响： 浸润湿夹角—界面键的形成
晶粒间界的形成与多晶膜的生长：
杂质的影响：
非晶膜的形成：
（Si非晶膜、多晶膜和外延层的形成）
9.2.几种物理沉积（PVD）方法 1）热阻加热蒸发镀膜
常规真空系统： （Ch 12）
油扩散泵原理:
Silicon and Select Wafer Fab Metals (at 20°C)
Material
Silicon (Si) Doped Polysilicon (Doped Poly)
Aluminum(Al) Copper (Cu) Tungsten (W) Titanium(Ti) Tantalum(Ta)
1、金属（Al）的电阻率、粘附性和可光刻性
2、几个物理问题 1）合金的形成 相图 固溶度 金属化合金温度 的选择557°C 合金处理也将改 变界面态
2）界面渗透
557°C 金属化时，Al/Si界面的渗透主要 是Si向Al内扩散。
金属/半导体界面的低温相互渗透，将使 界面的机械强度增加，但也可能影响界面态 的稳定。
无油真空系统：
分子泵
低温吸附泵
溅射离子泵 （Ti升华泵）
• 真空的测量 9.4, 热偶规 电离规
• 坩埚: 与蒸发材料的粘润性和互溶度 钨、刚玉等
– 优点与缺点： 系统简单、可蒸镀各种材料、易做厚膜 纯度不够高、镀膜速率不易控制、均匀性 较差（星型夹具）
– 平衡蒸气压：
– 合金与化合物蒸发：P305 无分解蒸发、分解蒸发；不同蒸气压
• 9.4. 器件中的金属膜 在器件中的作用：
—欧姆电极、连线、肖特基接触
9.4.1.欧姆接触与肖特基接触（半导体物理）
1、金属功函数与半导体亲合能对金—半接触 时的界面空间电荷区的影响 阻挡层和反阻挡层的形成
2、界面态的影响
FWe ？
费米能级钉扎
3、隧穿效应
4、与半导体载流子浓度的关系
5、实现低欧姆接触的途径 高掺杂（正面） 粗表面（背面） 合金（双面）：合金层和扩散层 表面态的形成
2）电子束蒸发： 纯度高 镀膜速率易控制
3）溅射沉积 直流溅射
RF Sputtering System
Matching netwapacitor
Gas flow controller
Target Substrate
Gas panel
Chuck
Turbo pump
的蒸发
– 膜厚的实时测量：
石英振荡法（原理？）
精度可达~0.01Å
Simple Evaporator
Crucible
Wafer carrier
Evaporating metal Process chamber (bell jar)
Hi-Vac valve Hi-Vac pump
Roughing pump
RF generator Microcontroller operator interface
Pressure controller
Exhaust
Argon
Roughing pump
– 射频溅射： 解决绝缘靶材料上的电荷堆积问题和合金材 料的组分问题
– 等离子体溅射：低压（电压、气压） – 磁控溅射：提高离化率、分离非离化离子 – 优点：？
Al/SiO2界面的在低温下可形成一极薄的 Al2O3层
3） Al/Si接触中的尖刺现象
Al向硅中扩散，（100）方向的扩散系数 大，所以MOS IC器件中明显。
Junction Spiking
Shallow junction
Junction short
尖刺现象的抑制：
Al/Si合金层结构——但Si从Al 中分凝将 在Al层中形成单晶硅“结瘤”或“外延膜” 使接触整流化。
Molybdenum(Mo) Platinum(Pt)
Melting Temperature (C)
1412
1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
Resistivity (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
Al/多晶Si双层金属化结构——重掺杂（P、 As）多晶硅具有低阻、互连性好、多晶粒不 易在低温下再结晶等特点。但不适宜在p型 层上作互连。
Al-阻挡层结构——用薄（几十纳米）金 属膜（Ti0.03~0.28W、TiN 0.4） 作Al/Si间的阻 挡层（可在600°C下阻挡Al 20h）。TiW的 压应力大，因而目前多用TiN。由于TiW、 TiN与Si的欧姆接触和粘附性不好，故需在 阻挡层和Si之间加一层金属硅化物（如： PtSi、Pd2Si、CoSi等），形成多层金属化电 极。
表面态的处理——表面费米能级的工艺调制
金属的选择 表面的处理 镀膜温度和速率
9.4.2. Al在硅器件中的特点 Al是硅平面器件中的三种基本材料之一
主要做欧姆电极和连线，也能与p型硅形成 欧姆接触。
欧姆电极和连线材料的要求： 电阻率低、稳定抗氧化、与基质材料的粘接 性好、能与各型硅材料形成良好的欧姆接触、 易于光刻、易于键合
4）电迁移现象：
表观现象为，Al电极引线在大电流密度作 用下，一部分出现空洞而断裂，一部分出现 Al原子堆积而形成小丘。
主要机理是，在高电流密度（~106A/cm2）Al离子 被电子风“吹”离晶格位置。 对策包括，Al膜多晶化、Al-Cu等合金、夹心 结构、介质膜覆盖和Cu基材料。
肖特基接触还大量用于MESFET器件
– 工艺： （组分的控制，界面态）
– 台阶覆盖：
(台阶的应用)
• 9.3. PVD的主要应用 PVD技术主要用于金属膜的制备
（也可以用于非金属薄膜材料的生长）
9.3.1 主要金属材料 连线材料（铝Al、铝铜合金、铜Cu） 阻挡层金属（W、Ti、Mo、Ta等） 硅化物（Pt、W、Ti等） 金属填充物（W等） 其它
AlCu合金工艺（提高抗电迁移能力，Cu0.5~4%）
Cu工艺：抗电迁移能力强、电阻率低、较少的工 艺步骤
通常用溅射（SPUTTER）方法淀积Al
9.4.3. 钛金属硅化的自对准工艺 要点：钛能与硅形成难腐蚀的低电阻的TiSi2合金 （工艺难点），而不易与其它介质材料形 成化合物。 Al栅的困难
晶粒自由能对成核的影响： 临界半径—表面能的约束
界面亲和能对成核的影响： 浸润湿夹角—界面键的形成
晶粒间界的形成与多晶膜的生长：
杂质的影响：
非晶膜的形成：
（Si非晶膜、多晶膜和外延层的形成）
9.2.几种物理沉积（PVD）方法 1）热阻加热蒸发镀膜
常规真空系统： （Ch 12）
油扩散泵原理:
Silicon and Select Wafer Fab Metals (at 20°C)
Material
Silicon (Si) Doped Polysilicon (Doped Poly)
Aluminum(Al) Copper (Cu) Tungsten (W) Titanium(Ti) Tantalum(Ta)
1、金属（Al）的电阻率、粘附性和可光刻性
2、几个物理问题 1）合金的形成 相图 固溶度 金属化合金温度 的选择557°C 合金处理也将改 变界面态
2）界面渗透
557°C 金属化时，Al/Si界面的渗透主要 是Si向Al内扩散。
金属/半导体界面的低温相互渗透，将使 界面的机械强度增加，但也可能影响界面态 的稳定。
无油真空系统：
分子泵
低温吸附泵
溅射离子泵 （Ti升华泵）
• 真空的测量 9.4, 热偶规 电离规
• 坩埚: 与蒸发材料的粘润性和互溶度 钨、刚玉等
– 优点与缺点： 系统简单、可蒸镀各种材料、易做厚膜 纯度不够高、镀膜速率不易控制、均匀性 较差（星型夹具）
– 平衡蒸气压：
– 合金与化合物蒸发：P305 无分解蒸发、分解蒸发；不同蒸气压
• 9.4. 器件中的金属膜 在器件中的作用：
—欧姆电极、连线、肖特基接触
9.4.1.欧姆接触与肖特基接触（半导体物理）
1、金属功函数与半导体亲合能对金—半接触 时的界面空间电荷区的影响 阻挡层和反阻挡层的形成
2、界面态的影响
FWe ？
费米能级钉扎
3、隧穿效应
4、与半导体载流子浓度的关系
5、实现低欧姆接触的途径 高掺杂（正面） 粗表面（背面） 合金（双面）：合金层和扩散层 表面态的形成
2）电子束蒸发： 纯度高 镀膜速率易控制
3）溅射沉积 直流溅射
RF Sputtering System
Matching netwapacitor
Gas flow controller
Target Substrate
Gas panel
Chuck
Turbo pump
的蒸发
– 膜厚的实时测量：
石英振荡法（原理？）
精度可达~0.01Å
Simple Evaporator
Crucible
Wafer carrier
Evaporating metal Process chamber (bell jar)
Hi-Vac valve Hi-Vac pump
Roughing pump
RF generator Microcontroller operator interface
Pressure controller
Exhaust
Argon
Roughing pump
– 射频溅射： 解决绝缘靶材料上的电荷堆积问题和合金材 料的组分问题
– 等离子体溅射：低压（电压、气压） – 磁控溅射：提高离化率、分离非离化离子 – 优点：？
Al/SiO2界面的在低温下可形成一极薄的 Al2O3层
3） Al/Si接触中的尖刺现象
Al向硅中扩散，（100）方向的扩散系数 大，所以MOS IC器件中明显。
Junction Spiking
Shallow junction
Junction short
尖刺现象的抑制：
Al/Si合金层结构——但Si从Al 中分凝将 在Al层中形成单晶硅“结瘤”或“外延膜” 使接触整流化。
Molybdenum(Mo) Platinum(Pt)
Melting Temperature (C)
1412
1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
Resistivity (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
Al/多晶Si双层金属化结构——重掺杂（P、 As）多晶硅具有低阻、互连性好、多晶粒不 易在低温下再结晶等特点。但不适宜在p型 层上作互连。
Al-阻挡层结构——用薄（几十纳米）金 属膜（Ti0.03~0.28W、TiN 0.4） 作Al/Si间的阻 挡层（可在600°C下阻挡Al 20h）。TiW的 压应力大，因而目前多用TiN。由于TiW、 TiN与Si的欧姆接触和粘附性不好，故需在 阻挡层和Si之间加一层金属硅化物（如： PtSi、Pd2Si、CoSi等），形成多层金属化电 极。