半導(dǎo)體制程概論蕭宏課件

1、半導(dǎo)體制程概論蕭宏目標(biāo)解釋金屬化製成的元件應(yīng)用列出最常使用的三種材料列出三種金屬沉積的方法說(shuō)明濺鍍製程解釋在金屬沉積製程中高真空需求的目的Hong Xiao, Ph. D.2www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬化製程定義應(yīng)用物理氣相沉積 vs. 化學(xué)氣相沉積方法真空金屬製程未來(lái)的趨勢(shì)Hong Xiao, Ph. D.3www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬化製程處理在晶圓表面沉積金屬薄膜.Hong Xiao, Ph. D.4www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm應(yīng)用金屬連

2、線匣極和電極微-鏡面(micro-mirror)融合(Fuse)Hong Xiao, Ph. D.5www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmCMOS: 標(biāo)準(zhǔn)金屬化製程P型晶圓N型井區(qū)P型井區(qū)STIn+n+USGp+p+金屬1, AlCuBPSGWP型磊晶層TiSi2TiN, ARCTi/TiNHong Xiao, Ph. D.6www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm應(yīng)用: 局部連線Hong Xiao, Ph. D.7www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm應(yīng)用: 局部連線取決於金屬化製

3、程最常使用的是銅鋁合金8090年代的技術(shù)：鎢栓塞鈦, 焊接層TiN, 阻擋層, 附著與抗金屬反射鍍膜層未來(lái)使用的是 銅!Hong Xiao, Ph. D.8www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm以銅當(dāng)導(dǎo)體連線的IC剖面圖P型磊晶層P型晶圓N型井區(qū)P型井區(qū)n+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta 或 TaNTi/TiNSiNCuCuFSGHong Xiao, Ph. D.9www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm材料設(shè)計(jì)光罩IC 生產(chǎn)廠房測(cè)試 封裝最後測(cè)試t加熱製程微影製程蝕刻與光阻剝除離子佈植與

4、光阻剝除金屬化化學(xué)機(jī)械研磨介電質(zhì)沉積晶圓晶圓製造流程圖Hong Xiao, Ph. D.10www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm應(yīng)用: 匣極和電極Al 匣極和電極多晶矽代替鋁作為匣極的材料金屬矽化物WSi2TiSi2CoSi2, MoSi2, TaSi2, Pt, Au, 在DRAM電容器作為電極Hong Xiao, Ph. D.11www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm問(wèn)與答我們是否能夠根據(jù)圖形尺寸的縮小情況以同比例縮減金屬線的比例? R=r l/wh. 當(dāng)我們根據(jù)元件圖形尺寸將所有維度縮小 (長(zhǎng)度 l, 寬度 w

5、, 和 高度 h)，電阻會(huì)增加 電路的速度變慢，消耗更多的功率Hong Xiao, Ph. D.12www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm應(yīng)用: 微鏡面(Micro-mirror)數(shù)位投影顯示鋁鈦合金小晶粒，高反射力“家庭劇院”Hong Xiao, Ph. D.13www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm應(yīng)用: 融合(Fuse)可程式化唯讀記憶體 (PROM)高電流產(chǎn)生的熱，會(huì)熔化鋁線形成斷路多晶矽被用來(lái)作為融合的材料(fuse materials)Hong Xiao, Ph. D.14www2.austin.cc.tx

6、.us/HongXiao/Book.htm導(dǎo)電薄膜Hong Xiao, Ph. D.15www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm導(dǎo)電薄膜多晶矽金屬矽化物 鋁合金鈦 氮化鈦鎢 銅 鉭 Hong Xiao, Ph. D.16www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm多晶矽匣極與局部連線的材料1970年代中期取代鋁而成為匣極材料具高溫穩(wěn)定性離子佈植後的高溫退火所必要的鋁匣極無(wú)法用在自我對(duì)準(zhǔn)源極/汲極佈植重度摻雜以LPCVD製程在高溫爐沉積Hong Xiao, Ph. D.17www2.austin.cc.tx.us/HongXia

7、o/Book.htm金屬矽化物金屬矽化物的電阻率比多晶矽低很多TiSi2, WSi2, 和 CoSi2 都是常用的選擇Hong Xiao, Ph. D.18www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬矽化物TiSi2 和 CoSi2 氬濺射從晶圓表面移除原生氧化層Ti 或 Co 沉積退火製程形成金屬矽化合物Ti 或 Co 不與SiO2反應(yīng), 金屬矽化物在矽和Ti 或Co接觸之處形成濕式蝕刻製程剝除未反應(yīng)的Ti 或 Co選擇性的再次退火以增加傳導(dǎo)率Hong Xiao, Ph. D.19www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm

8、自我對(duì)準(zhǔn)的鈦金屬矽化物的形成步驟多晶矽匣極匣極氧化層n-n-n+n+Ti鈦沉積多晶矽匣極匣極氧化層n-n-n+n+TiSi2TiSi2Ti退火產(chǎn)生金屬矽化物多晶矽匣極匣極氧化層n-n-n+n+TiSi2TiSi2濕式剝除鈦薄膜Hong Xiao, Ph. D.20www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm矽化鎢加熱 CVD 製程 WF6 當(dāng)作鎢的源材料SiH4 作為矽的源材料. 多晶金屬矽化物堆疊結(jié)構(gòu)在多重步驟製程中進(jìn)行蝕刻用氟化學(xué)品蝕刻WSix 用氯化學(xué)品蝕刻多晶矽光阻剝除快速加熱退火增加矽化鎢的晶粒尺寸和導(dǎo)電率Hong Xiao, Ph. D.21www2

9、.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鋁最常當(dāng)作連線使用的金屬第四佳的電傳導(dǎo)金屬銀1.6 mWcm銅1.7 mWcm金 2.2 mWcm鋁2.65 mWcm1970年代中期以前曾被用作匣極的材料Hong Xiao, Ph. D.22www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鋁矽合金在源極/汲極的區(qū)域中，鋁金屬線可以直接與矽接觸矽會(huì)熔解入鋁中，鋁會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入矽中尖突現(xiàn)象鋁的尖突物穿透摻雜接面使源極/汲極與基片形成短路通常1% 就可以讓矽在鋁中達(dá)到飽和在攝氏400 C 時(shí)的加熱退火會(huì)在矽鋁介面形成矽鋁合金Hong Xiao, Ph. D

10、.23www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmp+p+尖突現(xiàn)象N型矽鋁鋁鋁SiO2Hong Xiao, Ph. D.24www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm電遷移鋁是一種多晶態(tài)材料包含很多小型的單晶態(tài)晶粒電流通過(guò)鋁線電子不斷的轟擊晶粒較小的晶粒就會(huì)開(kāi)始移動(dòng)這個(gè)效應(yīng)就是電遷移(electromigration)Hong Xiao, Ph. D.25www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm電遷移電遷移會(huì)造成金屬線的撕裂高電流密度在剩下的金屬線加劇電子轟擊引發(fā)更進(jìn)一步的鋁晶粒遷移最後造成金

11、屬線的崩潰影響IC晶片的可信賴度鋁金屬線：老房子將有火災(zāi)的危害Hong Xiao, Ph. D.26www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm電遷移的預(yù)防當(dāng)少量百分比的銅與鋁形成合金，鋁的電遷移抵抗性會(huì)被顯著的改善銅扮演了鋁晶粒間的黏著劑角色，並且防止他們因電子轟擊而遷移 Al-Si-Cu 合金被使用Al-Cu (0.5%) 是最常使用的連線金屬Hong Xiao, Ph. D.27www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鋁合金沉積物理氣相沉積(PVD)濺鍍蒸鍍加熱蒸鍍法電子束蒸鍍法化學(xué)氣相沉積乙烷氫化鋁 DMAH, Al(

12、CH3)2H加熱製程Hong Xiao, Ph. D.28www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD vs. CVDCVD: 表面上的化學(xué)反應(yīng)PVD: 表面上沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)CVD: 較好的階梯覆蓋 (50% to 100%)和間隙填充能力PVD: 較差的階梯覆蓋 ( 15%)和間隙填充能力Hong Xiao, Ph. D.29www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD vs. CVDPVD: 品質(zhì)較高，純度較好的沉積薄膜, 導(dǎo)電性較高，容易沉積合金CVD: 薄膜中總是有不純度，導(dǎo)電性低，合金很難沉積Hong Xiao

13、, Ph. D.30www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鋁的一些基本資料Hong Xiao, Ph. D.31www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鈦應(yīng)用 形成金屬矽化物鈦的氮化作用潤(rùn)濕層焊接層Hong Xiao, Ph. D.32www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm焊接層降低接觸窗的電阻. 鈦可以清除氧原子防止形成高電阻率的WO4 和 Al2O3.使用TiN 作為擴(kuò)散阻擋層避免鎢擴(kuò)散進(jìn)入基片Hong Xiao, Ph. D.33www2.austin.cc.tx.us/Hon

14、gXiao/Book.htm鈦PSGTiSi2n+鈦鎢鋁-銅鈦的應(yīng)用Hong Xiao, Ph. D.34www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鈦的基本資料Hong Xiao, Ph. D.35www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm氮化鈦?zhàn)钃鯇臃乐规u擴(kuò)散附著層幫助鎢附著在氧化矽的表面抗反射層鍍膜 (ARC) 降低反射率和改進(jìn)金屬圖案化微影技術(shù)的解析度防止小丘狀突出物和控制電遷移可以藉由PVD 和 CVD製程來(lái)沉積Hong Xiao, Ph. D.36www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.

15、htm氮化鈦 PVD 阻擋層, 附著層以及抗反射層鍍膜(ARC)反應(yīng)式濺鍍，利用氬氣和氮?dú)庖訲i為靶材在電漿中N2 分子被分解氮自由基 (N)N和 Ti在鈦表面形成 TiN層氬離子會(huì)將TiN分子轟擊離開(kāi)靶材，沉積在晶圓表面Hong Xiao, Ph. D.37www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm氮化鈦CVD阻擋層和附著層比PVD 有較佳的階梯覆蓋金屬有機(jī)製程 (MOCVD) 350 CTDMAT, TiN(CH3)24無(wú)法用在金屬層間的接觸窗孔上Hong Xiao, Ph. D.38www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.h

16、tm氮化鈦鈦 PVD鈦的氮化反應(yīng)表面有NH3 (ammonia) 快速加熱退火製程Hong Xiao, Ph. D.39www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鎢 填充接觸窗或金屬層間的接觸窗孔形成栓塞接觸窗孔會(huì)變的更小與更窄PVD Al 合金: 不好的階梯覆蓋和空洞CVD W: 有非常好的階梯覆蓋和間隙填充能力比PVD Al 合金 (2.9 到 3.3 mWcm) 有較高的電阻性: 8.0 to 12 mWcm 僅使用在局部連線和不同層間的栓塞Hong Xiao, Ph. D.40www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm

17、接觸窗金屬化製程的演化AlSiCuSiO2SiO2洞AlSiCuSiO2SiAlCuW大開(kāi)口的接觸窗，PVD金屬可填入小開(kāi)口的接觸窗，使用PVD填入金屬的情形使用CVD鎢填入小開(kāi)口的接觸窗SiSiHong Xiao, Ph. D.41www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鎢 CVD WF6 為鎢的源材料和SiH4 反應(yīng)形成核層(nucleation layer)和H2 反應(yīng)形成巨量的鎢沉積需要一層氮化鈦來(lái)幫助鎢的黏附Hong Xiao, Ph. D.42www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鎢的基本資料Hong Xia

18、o, Ph. D.43www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鎢TiN/Ti二氧化矽W 栓塞和 TiN/Ti 阻擋層/附著層Hong Xiao, Ph. D.44www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm銅較低的電阻性 (1.7 mWcm), 較低的功率消耗和較高的IC速度高電遷移抵抗力較佳的可靠度銅對(duì)二氧化矽的附著能力極差擴(kuò)散速率很高，重度金屬污染非常難進(jìn)行乾式蝕刻銅鹵素化合物的揮發(fā)性很低Hong Xiao, Ph. D.45www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm銅沉積PVD 的種晶層

19、(seed layer) ECP 或 CVD 巨量層(bulk layer)沉積 退火製程通常是緊跟著巨量銅(bulk copper) 沉積後進(jìn)行 增加晶粒的尺寸 改進(jìn)導(dǎo)電率Hong Xiao, Ph. D.46www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm銅的基本資料Hong Xiao, Ph. D.47www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鉭 阻擋層防止銅擴(kuò)散濺鍍沉積Hong Xiao, Ph. D.48www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm坦的基本資料Hong Xiao, Ph. D

20、.49www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鈷主要被用來(lái)形成矽化鈷 (CoSi2).利用濺鍍製程來(lái)沉積Hong Xiao, Ph. D.50www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm矽化鈷矽化鈦晶粒尺寸: 0.2 mm不能用在0.18 mm 的匣極矽化鈷可以使用金屬矽化合物製程Hong Xiao, Ph. D.51www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm矽化鈷: 製程預(yù)沉積，氬離子濺鍍清潔鈷濺渡沉積第一次退火, 600 CCo + Si CoSi剝除未反應(yīng)的鈷第二次退火, 700 CCo

21、 + Si CoSi2Hong Xiao, Ph. D.52www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鈷的基本資料Hong Xiao, Ph. D.53www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬薄膜的特性Hong Xiao, Ph. D.54www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬薄膜的測(cè)量厚度.應(yīng)力 反射係數(shù) 薄片電阻Hong Xiao, Ph. D.55www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬薄膜厚度場(chǎng)發(fā)射鎗電子顯微鏡(TEM) 和 掃描式

22、電子顯微鏡(SEM)輪廓量測(cè)器4點(diǎn)探針X-光螢光分析儀(X-ray Fluorescence Spectrometer, XRF ) XRF聲學(xué)法Hong Xiao, Ph. D.56www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmTEM 和 SEM截面(cross section)TEM: 非常薄的薄膜, 數(shù)百 SEM: 薄膜可以到數(shù)千Hong Xiao, Ph. D.57www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm問(wèn)與答為什麼SEM的相片通常是黑白的? 二次電子發(fā)射時(shí)的強(qiáng)度拍下來(lái)的提供強(qiáng)烈或微弱的訊號(hào)照片: 明亮點(diǎn)與晦暗點(diǎn)，黑白影

23、像SEM 照片經(jīng)過(guò)影像分析後可再以人工著色Hong Xiao, Ph. D.58www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm輪廓量測(cè)器較厚的薄膜 ( 1000 ), 量測(cè)之前需要先執(zhí)行圖案化蝕刻製程探針可以檢測(cè)並紀(jì)錄細(xì)微的表面輪廓Hong Xiao, Ph. D.59www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm基片薄膜平臺(tái)探針薄膜厚度輪廓訊號(hào)輪廓量測(cè)器示意圖Hong Xiao, Ph. D.60www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm四點(diǎn)探針測(cè)量薄片電阻假設(shè)金屬薄膜的電阻率在整個(gè)晶圓表面皆為常數(shù)

24、，因此四點(diǎn)探針就常被用來(lái)監(jiān)測(cè)金屬薄膜的厚度Hong Xiao, Ph. D.61www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm聲學(xué)量測(cè)法新技術(shù)量測(cè)不透明的薄膜厚度非接觸性製程，可以量測(cè)晶圓產(chǎn)品Hong Xiao, Ph. D.62www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm聲學(xué)量測(cè)法雷射光射在薄膜表面光感測(cè)器量測(cè)其反射強(qiáng)度0.1 ps 雷射脈衝將表面加熱5 到 10 C 熱膨脹會(huì)引起聲波當(dāng)聲波傳遞到不同材料界面時(shí)，一部分的聲波將會(huì)從界面反射回來(lái)當(dāng)回波到達(dá)薄膜表面將會(huì)引起反射係數(shù)的改變. Hong Xiao, Ph. D.63www2

25、.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm聲波法測(cè)量聲波會(huì)在薄膜中來(lái)回產(chǎn)稱回音薄膜厚度可以藉由下列方程式計(jì)算d = Vs Dt/2Vs 是音速，Dt 兩個(gè)峰值之間時(shí)間的改變量回波的衰退率和薄膜密度有關(guān). 可以用來(lái)測(cè)量多層結(jié)構(gòu)中每一種薄膜的厚度Hong Xiao, Ph. D.64www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm聲學(xué)法測(cè)量金屬薄膜示意圖幫浦雷射反射到光感測(cè)器反射率改變量時(shí)間 (psec)102030405060708090第一反射峰值第二反射峰值第三反射峰值TEOS SiO2TiNttd = vst/2聲波反射Hong Xia

26、o, Ph. D.65www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmTiN 厚度d = Vst/2在TiN 薄膜中的聲速Vs = 95 /ps t 25.8 psd = 1225 Hong Xiao, Ph. D.66www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm均勻性厚度的均勻性(事實(shí)上指的是非均勻性)、薄片電阻和反射係數(shù)在製程的發(fā)展和製程的維護(hù)上都被例行的檢視. 可已經(jīng)由晶圓上的多點(diǎn)位置測(cè)量計(jì)算出來(lái)Hong Xiao, Ph. D.67www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm均勻性量測(cè)的取點(diǎn)分佈

27、 14329876514131211102524232221201918171615323130292827264948474645444342414039383736353433132541769823455點(diǎn)9點(diǎn)49點(diǎn)Hong Xiao, Ph. D.68www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm均勻性49點(diǎn)量測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)差3s 的非均勻性，是一般製程的普及定義清楚的定義非均勻性相同一組量測(cè)資料，不同的定義會(huì)引起不同的非均勻性結(jié)果5點(diǎn)和9點(diǎn)量測(cè)，通常使用在製程監(jiān)視和控制上Hong Xiao, Ph. D.69www2.austin.cc.tx.us/HongX

28、iao/Book.htm應(yīng)力薄膜和基片之間材料的不匹配收縮式應(yīng)力與 伸張型應(yīng)力高收縮式應(yīng)力會(huì)引起小丘狀突出物不同層間的金屬線短路高伸張型應(yīng)力會(huì)引起薄膜或是連線破裂或脫落(peels)Hong Xiao, Ph. D.70www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm收縮式應(yīng)力引起小丘狀突出物基片力力金屬Hong Xiao, Ph. D.71www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm基片力力金屬伸張型應(yīng)力產(chǎn)生破裂Hong Xiao, Ph. D.72www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm有幫助的

29、應(yīng)力鋁比矽有較高的熱膨脹速率aAl = 23.610-6 K-1, aSi = 2.610-6 K-1室溫下晶圓會(huì)形成伸張型應(yīng)力當(dāng)後續(xù)晶圓的加熱製程時(shí)，張力會(huì)變小金屬退火 ( 450 C) 介電質(zhì)沉積 ( 400 C)Hong Xiao, Ph. D.73www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm問(wèn)與答為什麼氧化矽薄膜在室溫時(shí)，收縮式應(yīng)力較受偏愛(ài)? 氧化矽的熱膨脹係數(shù)(aSiO2 = 0.510-6 K-1)比矽基片低假如在室溫時(shí)具有伸張型應(yīng)力，則當(dāng)晶圓在後續(xù)製程被加熱時(shí)，張力會(huì)變的更大Hong Xiao, Ph. D.74www2.austin.cc.tx.

30、us/HongXiao/Book.htm反射係數(shù)反射係數(shù)的改變即表示製程狀況的走勢(shì)薄膜的晶粒呎吋與表面平滑度的函數(shù)晶粒尺寸較大，則反射係數(shù)較低愈平滑的金屬表面就會(huì)有較高的反射係數(shù)簡(jiǎn)單、快速和非破壞性的步驟經(jīng)常在半導(dǎo)體廠中的金屬化區(qū)間內(nèi)進(jìn)行Hong Xiao, Ph. D.75www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm薄片電阻4點(diǎn)探針廣泛的用在測(cè)定薄膜的厚度假設(shè)晶圓上的電阻率都相同比輪廓量測(cè)器、 SEM 和聲學(xué)量測(cè)法要快且便宜Hong Xiao, Ph. D.76www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm薄片電阻薄片電阻 (Rs

31、) 可以表示成Rs = r/t假如薄膜的厚度t 已知，藉著測(cè)量Rs，可以計(jì)算出薄膜的電阻率 (r) ；或是電阻率已知，可以計(jì)算出薄膜厚度Hong Xiao, Ph. D.77www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬線的電阻LAR = rLAR = 電阻 , r = 導(dǎo)體的電阻率L = 長(zhǎng)度, A = 線的橫截面面積rIHong Xiao, Ph. D.78www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmtwIL通入電流I並測(cè)量電壓V,電阻: R = V/I = rL/(wt)對(duì)一個(gè)方型的薄片, L = w, 所以 R = r/

32、t = Rs Rs的單位: 每平方歐姆 (W/r)薄片電阻的觀念Hong Xiao, Ph. D.79www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm薄片電阻Hong Xiao, Ph. D.80www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm薄片電阻II你確定兩者的電阻是相同的嗎？Rs=r/tRs =r/tHong Xiao, Ph. D.81www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm薄片電阻 問(wèn)與答兩條傳導(dǎo)線都是用相同的金屬薄膜及相同的長(zhǎng)寬比例來(lái)圖案化，他們的線電阻是否一樣?答：是.Hong Xiao

33、, Ph. D.82www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm四點(diǎn)探針工具最常使用來(lái)量測(cè)薄片電阻的工具電流施加在兩個(gè)探針之間，在另外兩個(gè)探針之間量測(cè)電壓A假如P1和P4 間的電流是 I , Rs = 4.53 V/I, V is 是P2 和 P3 間的電壓假如P1和P3 間的電流是 I , Rs = 5.75 V/I, V is 是P2 和 P4 間的電壓兩個(gè)方程式是在假設(shè)薄膜區(qū)域無(wú)線大時(shí)推導(dǎo)的，晶圓上的薄膜量測(cè)卻不正確Hong Xiao, Ph. D.83www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmS1S2S3P1P2P3P4

34、VI薄膜基片四點(diǎn)探針測(cè)量Hong Xiao, Ph. D.84www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬化學(xué)氣相沉積法廣泛的用來(lái)沉積金屬非常好的階梯覆蓋性和間隙填充能力可以填充微小的接觸窗孔以使金屬連接在一起. 較差的品質(zhì)，電阻率比PVD金屬薄膜高. 主要用來(lái)作為栓塞和局部連線不用在長(zhǎng)距離連線中Hong Xiao, Ph. D.85www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬 CVD 反應(yīng)室製程反應(yīng)室抽智幫浦加熱平臺(tái)晶圓製程氣體射頻功率Hong Xiao, Ph. D.86www2.austin.cc.tx.us/Hon

35、gXiao/Book.htm金屬 CVD鎢, 矽化鎢, 鈦, 和 氮化鈦加熱製程，外在的熱量提供化學(xué)反應(yīng)所需的自由能射頻系統(tǒng)主要是用在製程反應(yīng)室的電漿清潔過(guò)程Hong Xiao, Ph. D.87www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬化學(xué)氣相沉積法製程的步驟晶圓送進(jìn)反應(yīng)室活動(dòng)(Slip)閥門關(guān)閉設(shè)定第二製程氣體的溫度與壓力所有製程氣體注入，開(kāi)始沉積主要製程氣體停止注入，第二製程氣體繼續(xù)所有製程氣體停止注入以氮?dú)獯党郎Q(jìng)化反應(yīng)室活動(dòng)(Slip)閥門開(kāi)啟，機(jī)械手臂將晶圓取出Hong Xiao, Ph. D.88www2.austin.cc.tx.us/Hon

36、gXiao/Book.htm金屬CVD反應(yīng)室清潔步驟反應(yīng)室開(kāi)始抽氣 設(shè)定淨(jìng)化氣體的壓力與溫度射頻開(kāi)啟，開(kāi)始電漿清潔步驟射頻關(guān)閉，開(kāi)始淨(jìng)化反應(yīng)室設(shè)定第二製程氣體的壓力和溫度主要製程氣體注入，開(kāi)始沉積適應(yīng)層(seasoning layer)主要製程氣體終止，第二製程氣體繼續(xù)終止所有製程氣體以氮淨(jìng)化反應(yīng)室反應(yīng)室準(zhǔn)備下一次的沉積Hong Xiao, Ph. D.89www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm面積 = A面積 = B面積 = A垂直的側(cè)壁傾斜的側(cè)壁A B垂直與傾斜式的接觸窗口Hong Xiao, Ph. D.90www2.austin.cc.tx.us/

37、HongXiao/Book.htm鎢 CVD 基本資訊鎢的來(lái)源氣體: 六氟化鎢 (WF6)添加反應(yīng)物: 氫 (H2)溫度: 400 - 475 C 100 %的階梯覆蓋性Hong Xiao, Ph. D.91www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm典型的鎢 CVD 製程晶圓送至反應(yīng)室設(shè)定壓力和氣體流量 (H2, SiH4)成核反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生(矽烷減少WF6)巨量沉積時(shí)改變壓力和氣體流量巨量沉積發(fā)生 (H2 減少WF6)幫浦抽除反應(yīng)室氣體並且開(kāi)始吹除淨(jìng)化晶圓送出反應(yīng)室Hong Xiao, Ph. D.92www2.austin.cc.tx.us/HongXiao

38、/Book.htm鎢 CVD 的化學(xué)反應(yīng)矽上的成核步驟(形成所謂的選擇性鎢)2 WF6 + 3 Si 2 W (s) + 3 SiF4附著層上的成核步驟2 WF6 + 3 SiH4 2 W (s) + 3 SiF4 + 6 H2巨量沉積WF6 + 3 H2 W (s) + 6 HFWF6和水氣反應(yīng)WF6 + 3 H2O WO3 + 6 HFHong Xiao, Ph. D.93www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鎢種晶層與巨量層二氧化矽Ti/TiN 阻擋層和附著層金屬鎢種晶層鎢巨量層Hong Xiao, Ph. D.94www2.austin.cc.tx

39、.us/HongXiao/Book.htm矽化鎢CVD 和 RTPWF6 和 SiH4 作為 CVD 源氣體匣極蝕刻之後退火比矽化鈦的電阻率要高，所以普及性較低Hong Xiao, Ph. D.95www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm矽化鎢當(dāng)作匣極和局部連線矽源氣體: SiH4 和 SiH2Cl2 (DCS) 鎢源材料是 WF6 SiH4/WF6: 低溫, 400 C, DCS/WF6: 溫度較高, 575 CHong Xiao, Ph. D.96www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm矽化鎢: CVD300 to 4

40、00 CWF6 + 2 SiH4 WSi2 + 6 HF + H2製程窗口較寬，更成熟的製程500 to 600 C WF6 + 3.5 SiH2Cl2 WSi2 + 1.5 SiF4 + 7 HCl較佳的薄膜階梯覆蓋性更低的氟濃度Hong Xiao, Ph. D.97www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm矽烷為基礎(chǔ)的 Wsix製程WF6 + 2 SiH4 WSi2(s) + 6 HF + H2和鎢CVD 製程的成核步驟類似. 主要的不同在於SiH4/WF6的流動(dòng)速率比例比例低於 3:1, 鎢沉積比例高於 10:1 , 矽化鎢沉積Hong Xiao, Ph

41、. D.98www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmDCS為基礎(chǔ)的 Wsix製程2 WF6+7 SiH2Cl2 2 WSi2 +3 SiF4+14 HCl 需要較高的沉積溫度較高的沉積速率較佳的階梯覆蓋性氟濃度較低伸張型應(yīng)力較少較少發(fā)生薄膜脫落或破裂Hong Xiao, Ph. D.99www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鈦 CVD高溫 ( 600 C)CVD 鈦在鈦沉積時(shí)同時(shí)可以和矽反應(yīng)形成 TiSi2TiCl4 + 2 H2 Ti + 4 HClTi + Si TiSi2Hong Xiao, Ph. D.100ww

42、w2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm氮化鈦 CVD作為鎢栓塞的阻擋層/附著層較佳的側(cè)壁階梯覆蓋性在 PVD Ti 和 TiN的薄層沉積後， 一層CVD TiN(200 )的薄層通常被加在接觸窗/ 金屬層間的接觸窗孔Hong Xiao, Ph. D.101www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmCVD 與PVD 沉積的 TiN 層二氧化矽Ti 層金屬PVD TiN 層CVD TiN 層Hong Xiao, Ph. D.102www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmCVD TiN無(wú)機(jī)化學(xué):

43、TiCl4 和 NH3 在攝氏 400到 700 C: 6TiCl4 + 8 NH3 6 TiN + 24 HCl + N2金屬有機(jī)CVD(MOCVD) 在攝氏350 C 及 300 毫托: TiN(CH3)24 TiN + 有機(jī)物Hong Xiao, Ph. D.103www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmCVD 鋁研發(fā)來(lái)取代鎢栓塞二甲烷氫化鋁 (DMAH), Al(CH3)2H約在攝氏350 C, DMAH 分解並沉積鋁Al(CH3)2H Al + 揮發(fā)性有機(jī)物困難在需要1% Cu 來(lái)改進(jìn)抗電遷移的能力Hong Xiao, Ph. D.104www2.

44、austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鋁金屬化製程所使用的群集反應(yīng)室傳送室傳送室晶圓載入晶圓卸載預(yù)先清洗Ti/TiN PVDTiN CVDAl CVDAl-Cu PVD冷卻Hong Xiao, Ph. D.105www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鋁 CVD/PVDTi/TiN 阻擋層 /附著層沉積CVD鋁薄膜有好的窗孔填充能力，鋁合金 PVD, TiN PVD不像鎢薄膜需要利用回蝕刻不是成熟的技術(shù)很難和銅金屬化製程競(jìng)爭(zhēng)Hong Xiao, Ph. D.106www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book

45、.htm物理氣相沉積(PVD)Hong Xiao, Ph. D.107www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm物理氣相沉積固態(tài)材料氣態(tài)化(Vaporizing)加熱或?yàn)R射步驟在基片表面上凝結(jié)蒸氣金屬化製程中非常重要的角色Hong Xiao, Ph. D.108www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD vs. CVDPVD以物理作用為起點(diǎn)CVD以化學(xué)反應(yīng)為起點(diǎn)Hong Xiao, Ph. D.109www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD vs. CVD: 來(lái)源PVD固體材料C

46、VD氣體或蒸氣Hong Xiao, Ph. D.110www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmCVD vs. PVD加熱基板源材料氣體晶圓沉積的薄膜化學(xué)反應(yīng)電漿靶材Hong Xiao, Ph. D.111www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD 方法蒸鍍?yōu)R鍍Hong Xiao, Ph. D.112www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD 方法: 蒸鍍燈絲蒸鍍快閃熱平板(Flash hot plate)蒸鍍 電子束蒸鍍Hong Xiao, Ph. D.113www2.austi

47、n.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm晶圓鋁材鋁蒸氣高電流源抽至幫浦 10-6 托熱蒸鍍器Hong Xiao, Ph. D.114www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm晶圓鋁材鋁蒸氣電源供應(yīng)器抽至幫浦 10-6 托電子束電子束蒸鍍示意圖Hong Xiao, Ph. D.115www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD 方法: 濺鍍直流二極體射頻二極體磁控式Hong Xiao, Ph. D.116www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm濺鍍製程靶材材料的原子會(huì)藉著撞

48、擊離子的動(dòng)量轉(zhuǎn)移而物理性的從表面被彈出Ar+Hong Xiao, Ph. D.117www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm直流二極體濺鍍系統(tǒng)靶材氬氣電漿晶圓夾盤- V晶圓金屬薄膜Hong Xiao, Ph. D.118www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm磁控濺鍍系統(tǒng)示意圖磁鐵腐蝕環(huán)溝靶材高密度電漿磁力線Hong Xiao, Ph. D.119www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm磁控濺鍍PVD金屬化製程中最受歡迎的方法樹叢式(grove)的方式有較多的濺鍍晶圓有良好的薄膜均勻性H

49、ong Xiao, Ph. D.120www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD 反應(yīng)室中遮蔽護(hù)罩裝置靶材遮蔽護(hù)罩晶圓夾盤晶圓Hong Xiao, Ph. D.121www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm氬氣的應(yīng)用濺鍍沉積濺射蝕刻在金屬沉積前預(yù)先清潔移除原生氧化層將洞口傾斜式的開(kāi)口擴(kuò)大以改善介電質(zhì)間隙填充圖案蝕刻介電質(zhì)來(lái)增強(qiáng)轟擊和損傷的效應(yīng)Hong Xiao, Ph. D.122www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm氬氣的性質(zhì)惰性較重豐度 大氣成分中的 1% 低成本Hong Xi

50、ao, Ph. D.123www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm氬的基本資料Hong Xiao, Ph. D.124www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm濺鍍純度較高的薄膜均勻性較好單晶圓, 製程控制較佳較大的晶圓尺寸蒸鍍不純度較高批量製程較便宜的工具濺鍍 vs. 蒸鍍Hong Xiao, Ph. D.125www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD 真空的要求真空反應(yīng)室壁上的殘留氣體H2O, 水和鋁反應(yīng)形成Al2O3影響局部連線的導(dǎo)電率唯一的方法是達(dá)到超真空(10-9 托)除去

51、水蒸氣Hong Xiao, Ph. D.126www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD 真空的需求群集工具階段式真空裝載平臺(tái): 10-6 托傳送室: 10-7 到 10-8 托沉積反應(yīng)室: 10-9 托Hong Xiao, Ph. D.127www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD 真空: 幫浦濕式幫浦 (oil diffusion pump): 大氣壓 到 10-3 托, 從生產(chǎn)工廠分階段去除.機(jī)械增壓式幫浦(Rough pump): 大氣壓 到 10-5 托渦輪幫浦(Turbo pump): 10-2 到

52、10-7 托冷凝幫浦(Cryo pump): 到 10-10托離子幫浦(Ion pump): 到 10-11托Hong Xiao, Ph. D.128www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬化整合製程所使用的群集式反應(yīng)室PVD 靶材PVD反應(yīng)室CVD反應(yīng)室Hong Xiao, Ph. D.129www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm接觸窗以及金屬層間的接觸窗口製程除氣預(yù)洗鈦 PVD氮化鈦 PVD 氮化鈦 CVDN2-H2 電漿處理鎢 CVDHong Xiao, Ph. D.130www2.austin.cc.tx.u

53、s/HongXiao/Book.htm鋁局部連線製程除氣預(yù)洗鈦 PVD鋁-銅 PVD氮化鈦 PVDHong Xiao, Ph. D.131www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm銅局部連線製程除氣預(yù)洗鉭 PVD銅 種晶 PVDHong Xiao, Ph. D.132www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm除氣將晶圓加熱以驅(qū)除吸附在晶圓表面的氣體和水氣否則在沉積製程期間所吸附的氣體與濕氣會(huì)逐漸逸出，並引起嚴(yán)重的污染而導(dǎo)致所沉積的金屬薄膜帶有高電阻率Hong Xiao, Ph. D.133www2.austin.cc.tx.u

54、s/HongXiao/Book.htm預(yù)洗移除原生氧化層降低接觸窗電阻用氬離子濺射射頻電漿Hong Xiao, Ph. D.134www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm氬離子濺射清洗過(guò)程金屬原生氧化層Ar+氬氣電漿Hong Xiao, Ph. D.135www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鈦 PVD降低接觸電阻低電阻率的較大的晶粒尺寸晶圓在沉積製程期間通常會(huì)加熱到350 C增加鈦附著原子的表面遷移率改進(jìn)階梯覆蓋Hong Xiao, Ph. D.136www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book

55、.htm準(zhǔn)直式(collimating)濺射系統(tǒng)使用在Ti 和 TiN 沉積準(zhǔn)直式系統(tǒng)允許金屬原子或分子主要以垂直方向移動(dòng)可以到達(dá)較深且狹窄的接觸窗/金屬層間的接觸窗孔的底部改善底層階梯覆蓋Hong Xiao, Ph. D.137www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm準(zhǔn)直式(collimating)濺射系統(tǒng)電漿準(zhǔn)直器磁鐵靶材薄膜金屬層接觸窗口Hong Xiao, Ph. D.138www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm金屬電漿系統(tǒng)Ti, TiN, Ta, 和 TaN 沉積透過(guò)感應(yīng)式耦合的機(jī)制，感應(yīng)式耦合線圈中的射頻電流

56、可以離子化金屬原子帶正電的金屬原子會(huì)以幾乎垂直的方向與帶負(fù)電荷的晶圓表面產(chǎn)生撞擊改善底部階梯覆蓋降低接觸電阻Hong Xiao, Ph. D.139www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm離子化金屬電漿示意圖靶材電漿金屬層接觸窗孔- V射頻感應(yīng)線圈Hong Xiao, Ph. D.140www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm氮化鈦 PVD 反應(yīng)式的濺鍍製程Ar 和 N2 N2 分子在電漿中分解氮自由基與鈦原子反應(yīng)在靶材表面形成TiN薄層. 軋離子從靶材表面濺射出TiN，並重新將其沉積在晶圓表面Hong Xiao, Ph.

57、 D.141www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPSGTiSi2n+TiN, PVDTiN 附著層, PVD & CVDWAl-CuTiN ARC, PVDTiN的三種應(yīng)用Ti焊接層, PVDTi阻擋層, PVDHong Xiao, Ph. D.142www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鋁銅 PVD超高真空狀態(tài)移除水氣，達(dá)到低的薄膜電阻率. 階段性的真空會(huì)使用群集工具的幫浦組合乾式幫浦, 渦輪幫浦和冷凝幫浦在一個(gè)冷凍捕捉器(frozen trap)中藉著冷凝氣體的殘餘物，冷凝幫浦可以幫助PVD反應(yīng)室達(dá)到 10-10

58、 托的壓力Hong Xiao, Ph. D.143www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鋁銅 PVD標(biāo)準(zhǔn)製程與熱鋁製程標(biāo)準(zhǔn)製程: 鋁-銅合金覆蓋在鎢栓塞上，通常是在鈦和氮化鈦沉積之後才進(jìn)行的沉積操作溫度大約在攝氏 200 C晶粒尺寸較小，容易蝕刻金屬退火可以形成尺寸較大的晶粒較低的電阻率較高 EMRHong Xiao, Ph. D.144www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm鋁銅 PVD熱鋁製程填充接觸窗和金屬層間的接觸窗口，減少接觸電阻數(shù)個(gè)製程步驟: Ti 沉積Al-Cu 種晶層在低於攝氏200C的溫度下沉積巨量 A

59、l-Cu 層在較高的溫度 (450C t到 500C)下沉積Hong Xiao, Ph. D.145www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm銅金屬化製程Hong Xiao, Ph. D.146www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm銅比鋁的導(dǎo)電性較好較高的速度和較少的功率消耗較高的電遷移抵抗性銅在矽和矽玻璃中的擴(kuò)散速率都很高,引起重金屬污染，需要擴(kuò)散阻擋層乾式蝕刻應(yīng)用困難，沒(méi)有簡(jiǎn)單的氣體化合物Hong Xiao, Ph. D.147www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm銅在CMP製程發(fā)

60、展金屬鑲嵌製程Ta 和/或 TaN 作為阻擋層開(kāi)始使用在IC生產(chǎn)工廠Hong Xiao, Ph. D.148www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm銅預(yù)積清洗PVD 阻擋層 (Ta 或 TaN, 或兩者一起)PVD 銅種晶層電化學(xué)電鍍巨量銅層加熱退火改善導(dǎo)電率Hong Xiao, Ph. D.149www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm蝕刻溝槽和金屬層接觸窗孔FSG銅FSG銅氮化矽FSGHong Xiao, Ph. D.150www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmPVD沉積Ta阻擋層