日志
材料特殊形态的 薄膜
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渗透到当代科技的各个领域。铝具有比重小, 导电、
导热性能好, 抗腐蚀性较好, 塑性好, 色泽美观, 无低
温脆性, 易于加工成形, 对光的反射比高等优点 [ 1] 。
然而, 纯铝的抗电化学腐蚀和抗电迁移能力有一定
的限度, 而添加少量合金元素的铝合金, 这些性能可
以得到改善。因此, 铝合金薄膜近年来得到了十分
广泛的应用。为此, 作为制备溅射薄膜材料的铝合
金靶材也得到了相当的应用。目前, 铝合金薄膜及
( IC) 电极布线膜; 光记录介质反射膜; ! 薄膜晶体
管型液晶显示器( TFTLCD) 电极布线膜; ∀固体摄
像器件和液晶显示器遮光薄膜; # 功能电子部件布
线膜。本文介绍集成电路电极布线膜用铝合金薄膜
及靶材。
1 集成电路电极、布线膜概述
在硅片上制成各种晶体管、二极管等元器件后,
根据电路设计要求, 将这些元器件用金属薄膜线条
连接起来, 形成具有各种功能的集成电路的工艺称
为金属化。金属化工艺是硅集成电路制造工艺中非
常重要的环节。金属化系统和金属化工艺的优劣会
影响电路的电性能和可靠性。
集成电路金属化材料须满足如下要求 [ 2]
: 保
证电极上电压降小, 要求金属的电阻率低; 与衬底
( 如硅, 二氧化硅等) 能形成低阻欧姆接触; ! 与硅和
二氧化硅的粘附性强, 不发生有害反应; ∀薄膜沉积
和光刻成形简单; # 便于超声或热压键合; ∃高温大
电流下抗电迁移能力强; %抗电化学腐蚀能力强; &
在多元金属布线中, 它们之间能相互粘附而不产生
有害的 金属间 化合 物; ∋ 沉积 过程 中不引 起半 导
体表面的不稳定性。铝是能同时满足 , , ! , ∀
* 1999 年 4 月 26 日收到要求的金属, 而且生产铝电极布线的工艺简单, 制造
成本低。因此, 集成电路工业中广泛应用铝作电极
布线材料, 主要包括欧姆电极、栅电极及互连线、多
层布线和金属膜的多层结构等。图 1( a) ~ ( d) 所示
分别为铝 欧姆电极 的剖 面图、铝栅 MOS FET 剖 面
图、2 层布线断面结构和多层金属膜结构 [ 3] 。
图 1 Al 电极布线断面结构图
Fig1 Crosssectional view of electrode wiring
集成电路金属化薄膜的制备方法有真空蒸发、
溅射和其它沉积技术。与蒸发等沉积技术相比, 由
于溅射膜沉积粒子的能量较高, 膜与衬底的粘附性
更好, 溅射膜的合金成分与靶的合金成分比例基本
相同; 溅射膜对衬底的台阶覆盖更好; 与普通钨丝蒸
发相比, 大大减少了钾钠离子沾污; 溅射电压降低,
尤其是磁控溅射, 电压约 300~ 700 V, 大大降低了硅
片的辐射损伤。因此, 溅射是制造集成电路薄膜常
用的方法。
但是, 随着集成电路集成度的提高, 电极布线不
断向微细化发展, 纯铝电极布线在使用过程中出现
了一些问题: 电迁移( EM) 和应力迁移 ( SM) 现象
严重。电迁移和应力迁移都会导致布线断线。 会
在较低温度下再结晶生成小丘, 容易使层与层之间
的互连线短路; ! 铝与硅在较高温度下热处理时, 由
于硅在铝中的溶解和扩散, 使硅表面出现腐蚀坑, 导
致浅 pn 结退化甚至穿通。
铝广泛应用于集成电路工业, 典型的应用是通
过合金化提高其性能。将适量的合金元素加入到铝
中可保证其在高温下具有一定的固溶度, 从而防止
小丘的产生。另外, 合金化还可减少因电迁移造成
的断线现象。因此, 铝合金薄膜近年来得到了十分
广泛的应用和发展。为此, 作为制备溅射薄膜材料
的铝合金靶材也得到了相应的发展。
2 铝合金薄膜及靶材的种类与性能
21 AlSi, AlSiCu 系合金
在铝中添加少量的硅( 固溶度以上) 可提高布线
的抗 SM 能力 [ 4]
, 而添加少量的铜又可在一定程度
上抑制 EM 现象
[ 5, 6]
, 并且同时添加硅和铜更能获得
双重的效果。因此, AlSi, AlSiCu 系合金薄膜在 90
年代以前作为电极布线材料得到了广泛应用
[ 7, 8]
。
但当 pn 结深小于 05 m 时, 即使采用铝硅或
铝硅铜合金配线, 也会出现 pn 结特性的退化。当
引线孔的宽度小于 1 m 时, 采用铝硅或铝硅铜合金
配线, 在热处理的冷却过程中, 硅在铝膜中析出而沉
淀于铝硅的界面和引线孔的边沿, 因而会产生较高
的电阻。
22 AlM 系 合金( M 为 IVB, VB, VIB, VIIB, VIII
族和稀土、过渡族金属中的一种)
添加固溶 度以上的 IVB, VB, VIB, VIIB 族 及稀
土、过渡族金属的铝合金薄膜不仅克服了 AlSi 系合
金的缺点, 具有良好的抗 SM, EM 性和耐热性, 而且
电阻率低于 30 cm
[ 9~ 14]
。其中, AlTi, AlTa 合金
薄膜具有优良的综合性能, 是上述铝合金中最典型
的代 表
[ 15~ 18]
。和铜 与铝 形成 的 金属 间化 合物 不
同, 钛等合金元素与铝形成的金属间化合物均匀分
布在铝基体中, 并且这些化合物在热处理过程中仍
很稳定而不会出现晶粒粗大化现象。正是这些稳定
的化合物可以起到防止断线的效果。
23 AlMN 系三元合金( M 同 AlM 系中的 M, N
为 Si, Ge 中的一种)
在这类合金中, 合金元素 M 的作用也是提高薄
膜的抗 SM 和 EM 性能; Si, Ge 的作用则是降低电阻
率。这类铝合金的电阻率可低于 10 cm
[ 19]
。
24 AlMN(系三元合金( M 同 AlM 系中的 M, N(
为 Si, B, Ca, Mg 中的一种)
在这类合金中, 合金元素 M 的作用也是提高薄
膜的抗 SM 和 EM 性能, Si, B, Ca, Mg 则起强力脱氧、
降低氧含量的作用。这类铝合金经压延热处理后形
成微细的再结晶组织, 靶材的强度显著提高。第二
相金属间化合物平均粒径在 30 m 以下
[ 20]
。
在添加的第二类合金元素中, Si 既具有降低电
阻率的作用, 又可强力脱氧, 降低氧含量。因此, Al
MSi 系合金具有低电阻率、低氧、高强度、晶粒微细
等优良性能。这类合金必将成为大规模集成电路,
112 真 空 科 学 与 技 术
