溅射、蒸发和电镀技术在线视频

诸位同学大家好

今天我们学习第四章

薄膜制备技术的第五节

溅射 蒸发和电镀

主要是用来做金属薄膜的

所以呢我们首先看一下

集成电路对金属化的

主要要求是什么

那么集成电路里头

引进金属的话

无外乎这两方面的目的

一方面呢是金属

与半导体的接触

另一方面呢

是金属作为互连线的应用

那我们首先看一下

金属与半导体的接触

那么大家在学半导体物理

的时候知道

那么一个金属跟

半导体接触之后

它的功函数和半导体的

这个费米能级

就会达到平衡

那么这个平衡呢

会引起能带的弯曲

那么通常的情况下看的话

那么金属与半导体的接触

一定是成立于一个

所谓的肖特基接触

也就是一个整流接触

那么它的这个电特性

是呈现成一个二极管特性

那么如果要是想

让金属与半导体

形成一个欧姆接触的话

那么大概有三方面的努力

可以做

一方面呢就是说

我找一个金属的功函数

那么它与费米能级

达到平衡之后

那么形成的这个能带弯曲

非常小也就是说

势垒非常小的情况

那么来做这个欧姆接触

但是呢现有的金属

很难达到这个与

譬如尤其是N形半导体

形成很小势垒的情况

那么通常呢就是铂有可能

但是这种接触呢

并不适合做集成电路

那么另一种办法呢

就是我想办法

在这个肖特基势垒中间

插入很多深能级

然后使得呢

金属呢通过这个深能级

来跃迁这个势垒

这是第二种办法

第三种办法呢

就是我把半导体这一侧

高掺杂

那么譬如说到10的19次方的

掺杂浓度

这样的话我可以使得势垒的

高度虽然没有降低

但是它的厚度呢

大幅度的减少

这样的话我也可以用

量子隧穿的办法

形成这样的欧姆接触

那么用低的这个势垒的金属

大概可选的话只有铂

但是呢这个并不太适合

做这个集成电路

那么在界面中引入的高负荷

是可以形成欧姆接触的

在实际做法

就是在半导体一侧

引入大量的缺陷

你比如说用喷沙

或者研磨处理

产生大量的缺陷

但是这个缺陷的这个负荷中心

对这个器件的高频特性

会有影响的

所以这种办法呢

通常只有在功率器件

因为功率器件大部分呢

不在高频下应用

那么来使用

所以呢在集成电路里头

真正大规模使用的

做欧姆接触的话

那么通常是要在半导体一侧

做一个薄的高浓度掺杂一个层

你譬如说浓度要达到

10的19次方以上

这样的话使得整个的

金属和半导体的接触

那么通过隧穿

达到欧姆接触

那么金属跟半导体接触的

另外一个需要关注的事情

是如果我们用通常的金属

譬如说铝和半导体接触

那么铝和硅

是可以形成共融的

这个共融体那么随着

这个如果金属的供应

是无限的的话

那么它是可以快速的

形成共融体的

而我们这个接触呢

往往是在一个PN结

尤其是一个浅的PN结上

做这个欧姆接触

这样的话它就很容易

形成这个图示所说的

这个所谓的spec

也就是说金属与硅的共融体

穿透了这个PN结

这样的话就会形成短路

所以呢金属与半导体

接触的时候

我如何在界面处

形成一个稳定的金属层

那么而且是薄的

这样的一个金属层

那么也是一个非常关键的

一个事情

那么来防止这个spec的产生

那么这种办法呢

往往是用所谓的

难熔金属硅化物来形成

那么难熔金属硅化物

实际上是一种类金属的材料

那么它是由你譬如说钛

钼 钽 钨 铂 钴 镍

等等这些金属

与硅形成一个硅化物

这个硅化物呢

它的电阻率大概是金属的

十倍左右的这个电阻率

虽然比金属的话

高一个数量级

但是它总的来说呢

是类金属的一个材料

它的一个重要的特性就是

它一旦形成了之后

它的热稳定性

是非常非常好的

那么你从这个表上可以看到

那么大部分的

金属硅化物的热稳定性

都可以到900度甚至一千度的

这样的一个温度

那么我们为了防止

这个金属的共融体产生spec

我们目前的集成电路

所用的接触的硅化物的话

通常是采用钛硅化合物

或者是钴硅化合物

或者是镍硅化合物

这三种硅化物

它都有比较好的热稳定性

但是呢它的这个特性

也有一些差别

你譬如说钛硅化合物

它的优点是

它可以跟这个天然氧化层

对天然氧化层的浸润性很好

也就是说它很容易形成一个

好的欧姆接触的界面

但是呢钛硅化合物

它有一个尺寸效应

如果这个尺寸缩减到

这个几十纳米

或者深亚微米的这个量级

那么钛硅化合物的电阻率

会随着尺寸的减小

急剧的上升

所以在现代这个

几十纳米的这个

cmos器件里头

我们通常用的这个

更多用的是钴硅化合物和

镍硅化合物

它们呢作为一个

这个欧姆接触的过渡层

那么所以呢总结下来

金属与半导体接触

大概就是我们要关注的

一个是通常情况下

金属与半导体接触

是形成一个肖特基接触

那而我们做集成电路里头

要形成一个欧姆接触的时候

通常是采用半导体上高掺杂

然后利用那个隧穿机制

来形成一个这个

良好的欧姆接触

第二点呢就是说

在金属与半导体接触的过程中

我们通常会用一层硅化物

作为这个接触层

来避免金属和硅化物的共融体

产生spec来穿通这个这个PN节

那么我们再看一下金属呢

那个在集成电路里的

应用的一个另外方面

就是做互连线

大家知道

现代集成电路的话

它的器件规模是非常大的

那么一个集成电路里头

有上亿甚至于上十亿的

元件

每个元件有三个端口

那么要把这么多的

几十亿的端口

把它连接起来

需要一个很庞杂的

一个互连网络

这个互连网络呢

我们在这个引言中说了

它的这个最细线宽

是几十纳米的这个量级

而它的总长度呢

到了几公里的这样的

一个量级

对这样的一种

庞杂的互连的这个

金属的要求呢

那么显然我们需要

它有很好的导电性

那么它要与N型或P型硅

有良好的欧姆接触

那么而且呢它要与

二氧化硅也就是说

跟中间的介质层

要有很好的黏附性

这样才能保证

我在这么大规模的

那个数量的图形加工中

能够保证工艺的完整性

那么要与介质要有

良好的黏附性

那么而且呢

我要适于加工

你譬如说我用刻蚀

或者用CMP的办法来加工

那么它的性能要稳定

而且要有

很好的台阶覆盖性

因为多层布线的话

它有好多孔填充的问题

那么这些金属里头

电阻率又比较低

那么延展性又比较好的

金属的话

那么显然铝是一个很好的选择

那么所以呢早期的集成电路

它的这个互连线

都是用铝做的

但是铝有两个重要的

这个问题

一个问题是电迁徙的问题

大家知道如果要是

一个导线里头的

这个电流密度大到

一定的程度的话

那么电子定向运动

形成的电子风

它有可能强到以至于

把这个金属原子

吹离原来的这个位置的

这个情况

就是所谓的电迁徙

当然它需要的这个

电流密度是很大的

那一般来说

要对于铝来说

要到每平方厘米

10的5次方安培以上

听起来是一个很大的电流

但是大家不要忘记了

集成电路里头

虽然它电流的值是很小的

一般是微安量级的

但是它的导线的

这个尺度也是非常小的

刚才说了

它可以到几十纳米的量级

大家可以算一下

微安在几十纳米的话

它的电流密度

远远大于了每平方厘米

10的5次方安培的情况

所以呢电子风

引起的电迁徙

对铝这个导线的

可靠性的话

是一个很大的威胁

另外一个情况是

随着整个互连网络的

规模的增加

那么它的尺度

到几十纳米

它的总长度到公里这个量级

所以的话RC延迟

也是非常非常的大

那么大家知道

集成电路的特征尺寸

到了0.18微米以后

那么互连引起的延迟

已经大于了器件引起的延迟

所以呢我们要选一个

电阻率更低的

这样的一个材料

也是很重要的

那么出于这两方面的考虑呢

目前的集成电路的互连

逐渐的从铝互连

向这个铜互连转变了

那么就是说

现在很少用铝互连了

基本上都是用铜互连

因为铜的电阻率

只是铝的60%

这样的话可以舒缓

RC延迟的问题

更重要的是

铜抗电迁徙的这个能力

是铝两个数量级以上

也就是说铜的能够耐受的

这个电流密度

是铝的两个数量级以上

那么这样的话

同样尺寸的铜互连

它的可靠性会比铝高很多

那么除了刚才讲的

这个铜也好铝也好

作为互连的这个材料以外

那么对于临近的器件的话

它们之间的连接

就是所谓的局部互连

那么实际上我们有的时候

工艺中也用多晶硅

或者是难熔金属硅化物来做

那么这个的考虑呢

实际上因为我们栅

用的就是掺杂多晶硅

我们的接触用的就是

难熔金属硅化物

从工艺简化的角度来讲呢

一些短距离的局部互连

我们也可以直接

利用这个做栅时候

做的那个掺杂多晶硅

或者是做源漏接触的时候的

这个金属硅化物

来做这样的一个互连

这样的话可以简化这个工艺

所以从这个金属

作为互连这方面的要求呢

实际上需要关注的就是

如何提高抗电迁徙的能力

如何减小RC延迟

那么这两方面要求呢

导致铝互连

已经被取代

现在主要呢

主要是铜互连

另外呢除了主导的

是铜互连以外

那么为了简化工艺

在一些短距离的

局部互连里头呢

我们也用多晶硅和

硅化物来作为局部互连

那么知道整个这个

应用需求了之后呢

那么我们在金属膜的

制备方面的话

实际上相对来说

这个设备就比较简单了

那么一种办法呢

就是用蒸发

所谓蒸发呢

实际上就是在一个

真空环境下

把这个硅片和源之间

只要它的真空度

大到以至于源和

硅片之间的这个距离

小于它的这个分子的

自由成的话

那我就把这个金属

要蒸发的这个金属膜

用一个坩埚装着

然后用电子束

加热这个坩埚里头的金属

那么这个金属呢

就会挥发出来

挥发出来呢

就是沉积到这个硅片上

那么这种办法呢

它的好处呢就是很简单

而且呢我用电子束

来加热这个金属的话

那么不会引起

任何的污染

那么但是它的坏处呢

就是用这种办法

很难制备合金的这个金属

那么有的时候我们

我们做的那个金属

并不一定是单一的金属

那么要做合金

合金的话

那么由于不同的金属

挥发的这个温度是不一样的

很难做合金

另外呢这个蒸发的

台阶覆盖性也不是很好

还有一种选择呢是用溅射

溅射的这个道理呢

就是说我把要沉积的

金属膜做成一个靶

然后呢我在一个

同样是真空腔体里头

引入譬如说惰性气体

譬如氩气

然后把这个整个的

气氛激发成等离子体

把它激发成等离子体之后

我引入一个这个偏置电压

使得这个氩离子

轰击这个靶

轰击这个靶的话

如果能量适当的话

就可以把靶上的原子打出来

打出来之后呢

它就会溅射到这个衬底上

那么这就是所谓的这个溅射

溅射呢产生这个等离子体之后

产生这个氩的这个轰击的

办法呢一个可以

采用这个直流的加偏压的办法

来产生这个等离子体

也可以采用射频的办法

那么还可以加上一些

磁场的辅助

那么如果要是用这个

直流的溅射的话

那么当然靶作为一个电极

所以它必须是金属靶

那么如果要是用射频的话

实际上靶

也可以是绝缘的

那么所以呢用那个

射频溅射的话

不仅仅可以溅射金属薄膜

也可以溅射绝缘薄膜

那么但是呢如果要是用

那个射频的话

那么它整个的体系

就比较复杂

因为它外面的射频

匹配的话

它需要跟腔体内的

等离子体匹配

而等离子体呢

又受很多的工艺条件的影响

那么是经常变化的

所以呢用射频溅射

整个的这个工艺控制起来

就会稍微复杂一点

那么在这个溅射的

这个譬如说氩离子

溅射的能量的选择方面

那么也有两方面也要考虑

一个是大家知道

如果一个离子

它的轰击下来的话

它的这个能量的话

十个电子伏以下的话

那么通常呢它会以

热振动的形式被吸收

那么不会有靶原子被打下来

但是如果要是这个

轰击的能量很高

譬如说超过10个KeV的话

就是10千个电子伏的话

那么通常的话

它会注入到靶的这个

材料里头去

也不会溅射出这个靶材料

那么我们其中有一个工艺

讲离子注入

你们可以看到离子注入的话

它通常的能量也是多少个

KeV以下

它的主要的机制

那么会把这个离子打到

这个靶里头去

那么我们溅射里头

选的这个轰击的能量

大概就是在10电子伏

到10千电子伏之间

那么是对这个

靶的溅射效应

是最高的一种情况

那么用溅射呢

作为这个沉积金属膜的一个

或者是介质膜也可以

如果是射频的话也可以做

那么它的主要的好处

就是它可以

靶是可以是合金的靶

那么而且呢

它溅射下来的靶的原子

到达这个衬底的时候

它还有几个电子伏的能量

所以它与衬底呢

可以形成非常好的

这个黏附

那么黏附特性是非常好的

而且呢刚才说了

如果要用射频的话

这个靶不仅仅是

可以用作金属的靶

也可以用作绝缘的靶

那么而且呢

这个溅射的这个速率

是非常稳定的

那么我们可以通过溅射时间

来控制这个溅射膜的

这个厚度

但是它这个溅射的这个坏处

就是一个是

就是如果用射频溅射

整个工艺控制呢

相对来说比较复杂

另外一个很重要的问题

就是溅射的时候

它是在一个等离子环境下

那么等离子体

有可能对集成电路里头的

引线形成这个耦合

耦合的这个电荷呢

有可能会对这个集成电路

器件造成辐射的

损伤

那么这个呢也是需要

考虑的一件事情

但是尽管是这样

那么溅射呢

目前是集成电路里头

制作金属膜的一个

主要的一个技术手段

那么溅射呢

做这个金属膜

它的主要的问题

实际上还是台阶覆盖性

不够好

那么这张照片

给出了一个fin的结构上

那么我们溅射

比较厚的金属膜

你看它那个

就是呈现一个蘑菇状的情况

那么就是说

它的台阶覆盖性

会不是特别好

那么溅射台也是一样

那么有的时候

我们会同时溅射多层膜

那么它也是用一个cluster-tool

就是说我用一个真空平台

来同时挂好几个

溅射或者刻蚀

或者CVD的腔体

这样的话我可以把我的

整个的这个

薄膜淀积的这个过程

在真空内完成

不暴露大气

当然制作金属膜

也不仅仅是用

蒸发或者溅射来做

其实我们以前讲的

CVD也可以用来做

金属膜

你譬如说最典型的

就是做一个钨 钨塞

就是说不同plug的这个连线

那么我们通常是用CVD做

那么是不是能用CVD做呢

实际上主要的选择

看有没有适当的源

那么六氟化钨

是一个非常适当的

一个做经过氢气还原成

钨的这样的一个源

有这样一个好的源呢

CVD也是淀积制备金属膜的

一个可选手段

那么前面讲了

这个目前的这个

作为连线的话

那么主要是用铜

做这个连线

而且呢不用铝了

但是铜有一个问题

它很难做刻蚀加工

那么所以呢

铜呢我们如果要是做铜的话

我们一定是用所谓的

大马士革工艺

它的主要的特点

就是先做槽

之后呢把金属

淀积到槽里头去

这样的话

当我们要做很细的

线条的时候

那么这个槽的深宽比就很大

这样的话

我需要一种制备技术

它的孔填充特性

要非常的好

那么刚才讲了

那个溅射铜没有任何问题

但是呢它的这个

台阶覆盖性不好

那么人们就开发了一种

专门适用于铜的

这个铜制备的孔填充性

很好的这个办法

是什么呢就是电镀

电镀实际上在以前

做铜的硬电路PCB板的话

是一个经常用的手段

那么它是一个很老的工艺

但是呢我们也可以

把它用到集成电路里头

用到集成电路里头呢

它的主要的办法

就是刚才我讲的

它由于铜没法刻蚀

我们做铜引线的时候

实际上是反过来

在介质这个层里头

刻一个引线对应的这个槽

以及引线之间的这个

互连的孔

然后呢因为铜在

介质里头是快扩散杂质

那么在电镀铜之前

我们要找一些所谓barrier layer

就是这个阻挡层

那个阻挡层呢

我们通常会用氮化钽

或者氮化钛来做

然后呢做电镀之前

要有一个种子层

因为要把整个的这个铜

一方面导电

另一方面有一个电镀的种子

那么这个薄层的这个种子层

我们就用铜做

那么可以用溅射的办法

溅射一个非常薄的层

作为种子层

所谓copyer seed

然后有了这个种子层之后呢

我们就用可以用电镀的办法

来填充这个整个的铜

填充完了之后用CMP

这个以后我们在工艺中

也会讲的

就是化学机械抛光的办法

把多余的铜抛掉

只把这沟槽里头的铜留下

这样呢就可以形成一个

铜布线的这样一个结构

所以呢就是用刚才

这个大马士革的这个办法

就目前的这个铜互连

都是采用这种办法来制备的

那么这张图呢

给出了这个三种

这个不同的这个工艺办法

一个是CVD

我刚才讲了用CVD办法

可以长这个Tungsten Plug

PVD就是溅射的办法

和用电镀的办法

这三种办法的

它的孔填充的这个效果

那么可以看到

溅射呢是相对来说

效果最差的一种

那么它可能会在

高深宽比的情况下

中间呢产生这个空洞

那么CVD会稍微好一些

但是呢它如果要是

这个深宽比很大的话

它也有这个空洞的可能

这个CVD的技术里头我们讲到

Tungsten Plug里头

我们要优化工艺

尽可能地避免这个

Tungsten Plug里头的key hole

就是这么一个问题

而那个电镀呢

它是孔填充效果最好的一个

大家可以看这张照片

它深宽比很高的时候

它可以做到这个

很好的这个填充性

那么这是那个电镀这个

这个过程中的一个照片

那么可以看到它这个

填充性的确是非常的好

那么下面总结一下

集成电路里头用到的

各种这个金属

首先呢就是说

形成欧姆接触

大家知道讲了就是说

我们会通常会用

金属硅化物来做这个

欧姆接触的接触层

那么集成电路里

最常用的就是钛硅化合物

钴硅化合物和镍硅化合物

除了这个三种硅化物以外

我们往往也用金属氮化物

金属氮化物呢

譬如说氮化钛

可以作为一个过渡层用

也可以作为阻挡层用

那么还有氮化钽

通常我们是作为阻挡层来用

那么对于金属互连来讲的话

我们通常是用这么几种金属

一种呢作为这个互连层

之间的这个连接层

就是那个plug的话

我们通常用钨

而且用那个CVD的办法

来制备这个钨

然后呢我们的互连层

早期是用铝

现在都是用铜

那么用铜呢

我们用这个电镀的办法

结合大马士革工艺

来制备这个铜互连

那么小结一下这一节

这一节呢我们需要

关注这么几个知识点

一个是金属与半导体的接触

那么通常呢金属与半导体

是会形成一个肖特基接触

那么如果要想形成

欧姆接触的话

那么无非这几个途径

一个是选择一个低势垒的金属

或者呢在界面处引入

比较高的负荷

但是这两个手段

你都不太适合用作集成电路

而集成电路呢

通常是采用在半导体一侧

高掺杂

利用这个隧穿的机制

形成这个欧姆接触

那么为了避免金属与硅共融

譬如说铝或者是铜

与硅共融形成的这个spec

穿透这个PN结

那么实际的半导体与

那个金属的接触

是以硅化物作为这个

接触层的

那么利用硅化物呢

已经成为一个通行的

制作金属与半导体

接触的一个做法

另外一个知识点呢很重要

就是说铜布线

当今已经成为这个

集成电路里头互连的

一个主流的材料

那么它的原因呢

就是因为铜呢

比铝

高两个数量级的

抗电迁徙的能力

而且比铝

有更低的这个电阻率

但是因为铜

没办法做干法刻蚀

所以铜

通常会用大马士革

的工艺来制备

那么同时

为了要比较好的这个

填充性

那么铜的制备

我们会用电镀的办法来做

那么所以

几种金属膜的制备办法

你譬如说蒸发 溅射

CVD和电镀都可以做金属膜

那么我们在这个

集成电路里呢通常

考虑的一个重要的事

就是孔和深槽的这个填充

那么在其他的这个微结构器件

或者其他的这个场合下

实际上那个蒸发和溅射

也是非常非常普遍的一个

制备金属膜的办法

那么这一节就是这样

谢谢大家