后端工艺的N型欧姆接触

2012-09-19徐海铭秦征峰寇春梅

电子与封装 2012年3期

徐海铭，秦征峰，寇春梅，黄蕴

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

随着半导体技术不断发展，人们对欧姆接触的低阻性能要求也越来越高。欧姆接触是金属与半导体界面的一种重要接触形式，它会对器件的效率、增益和开关速度等性能指标有直接影响，还可以用于一切器件和电路信号的输入、输出以及各元件间的相互连接。制备高性能且可靠的欧姆接触不仅有利于技术改进，还有较大的经济意义。

2 原理

欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得大多数的电压降在有源区（Active region）而不在接触面上。

欧姆接触良好形成需要有两个重要条件：

（1）金属与半导体间有较低的势垒高度（Barrier Height）；

（2）半导体有高浓度的杂质掺入（N≥10×1018cm-3）。

前者可使界面电流中热激发部分（Thermionic Emission）增加；后者则使半导体耗尽区变窄，电子有更多的机会直接穿透（Tunneling），而同时使Rc阻值降低。

任何两种相接触的固体的费米能级（Fermi level）必须相等。费米能级和真空能级的差值称作功函。接触金属和半导体具有不同的功函，分别记为φM和φS。当两种材料相接触时，电子将会从低功函一边流向另一边直到费米能级相平衡。从而，低功函的材料将带有少量正电荷而高功函材料则会变得具有少量电负性，最终得到的静电势称为内建场，记为Vbi，这种接触电势将会在任何两种固体间出现，它是诸如二极管整流现象和温差电效应等的潜在原因。内建场是导致半导体连接处能带弯曲的原因，明显的能带弯曲在金属中不会出现，因为它们很短。

在经典物理图像中，为了克服势垒，半导体载流子必须获得足够的能量才能从费米能级跳到弯曲的导带顶，穿越势垒所需的能量φB是内建势及费米能级与导带间偏移的总和。同样对于n型半导体，φB=φM-χS，其中χS是半导体的电子亲合能（electron affinity），定义为真空能级和导带能级的差。对于p型半导体：φB=Eg- （φM-χS），其中Eg是禁带宽度。当穿越势垒的激发是热力学的，这一过程称为热发射。对于电接触的情形，耗尽区宽度决定了厚度，其和内建场穿透入半导体内部长度同量级。

根据上述简单的理论选择导电、非反应、热力学稳定、电学性质稳定且低张力的接触金属，然后提高接触金属下方区域掺杂密度来减小势垒高度差，就基本上可以实现一个很好的欧姆接触，但在实际工艺生产过程中往往与理论有一定的差异，出现各种各样的实际问题。下面就对工艺生产中几种欧姆接触失效情况进行分析研究。

3 目前欧姆接触存在的问题及改进措施

3.1 spiking现象

为了使欧姆接触良好，以减小接触电阻，往往在金属与半导体接触之后还需要进行退火处理，在得到良好接触状态的同时，也带来其他问题。对于用得较多的金属电极材料Al，当把Al-Si接触系统放在N2气中加热到475℃时，几分钟后Al即可穿过其表面上很薄的自然氧化层而到达Si表面，并与Si相互扩散、很好地熔合成一体，能够得到很好的欧姆接触，但是由于在接触面上Al、Si原子不均匀相互扩散，会有硅析出或有铝刺产生，一旦出现spiking，要么会使得孔不通，造成电路接触失效，要么会使得浅结导通，mos管失效。图1是某电路Al-n+接触方块电阻map图，该电路正常方块电阻在110Ω/□左右，而实际测量的圆片方块电阻从150Ω/□～700Ω/□不等。图2为该电路硅析出情况。

通常解决该问题的一个方法就是在金属Al中加入1%的Si，来减少在退火时出现毛刺。也可以在金属Al与衬底之间增加Ti/TiN结构，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间的互熔，防止了结穿的发生。

图1 方块电阻map图

图2 电路硅析出情况

另外，在现代IC工艺中，Al不能完全满足要求。因为在IC工艺中，当欧姆接触形成之后还需要施行500℃以上的其他工艺步骤，而Al-Si接触系统承受不了这么高温度的处理，则难以满足热稳定性的要求，所以在IC中往往改用难熔金属（Mo、Ta、Ti、W）的硅化物来制作欧姆接触，这样可以获得很高的温度稳定性。不仅如此，而且这种硅化物还能够改善欧姆接触的性能。例如，对于使用最为广泛的金属硅化物TiSi2，由于在把Si上的Ti膜经热处理而形成TiSi2的过程中，将要消耗掉半导体表面上的一薄层Si，从而也就相应地去掉了Si片表面上的缺陷和一些粘污，所以能够获得干净、平整、性能良好的欧姆接触。因此，难熔金属的硅化物是一种较好的欧姆接触金属材料。

3.2 台阶覆盖问题

台阶覆盖是指覆盖在孔上金属的厚度最薄处占溅射金属厚度的百分比。一般工艺上要求台阶覆盖大于20%，保证金属与有源区或多晶能够完全接触。图3所示是台阶覆盖比较差，甚至有的孔内的金属都出现了明显的断条，反应在N+孔接触方块电阻上就是阻值很大或无穷大，造成芯片接触失效。

台阶覆盖差的解决方案较多，这里介绍几种常用的方法：

（1）孔尺寸设计

孔的大小对孔填充有很大影响，孔直径越大填充就越好，越能保证金属与其他层次连接正常，但由于芯片面积、电路设计等需要孔不能做大，这时通常把孔口处做大，而孔底部是正常的直孔，这样对孔的台阶覆盖有很大改善，如图4。

图3 台阶覆盖问题图

图4 调整孔尺寸后台阶覆盖图

同时在Al溅射前对孔进行清洗的环节也很重要，像BOE漂时间、添加浸润剂等都会影响孔的形貌从而影响孔的接触电阻。如BOE漂时间过短，金属Al与硅衬底接触就会有残留自氧化层，影响接触；如BOE漂时间过长，就有可能对重掺杂过的衬底造成侵蚀，由于重掺杂结较浅，过腐蚀后就不能形成良好的欧姆接触，接触方块电阻势必会很大。

（2）回流工艺

通常情况下会在孔开出后进行一步回流工艺，回流在改善孔形貌的同时也会让孔全面收紧，从而使得欧姆接触方块电阻变大，所以回流工艺的设计对保持较小接触方块电阻稳定有很大影响。

（3）调高溅射金属的衬底温度

对衬底进行加热，这种方法比较常见，一般地加热温度要大于250℃，Al流动性会明显加强，台阶覆盖才会有明显的变化。

（4）对衬底进行SPUTTER ETCTING，因为它可使孔角平滑，有利于Al的流动。

（5）溅Al前，先溅一层WETTING LAYER，如冷Al、室温Ti等。

（6）使用Substrate-bias sputter deposition。

4 等离子体损伤

工艺过程中受等离子损伤的工艺主要发生在多晶或金属腐蚀、孔或通孔腐蚀、氧化膜淀积、离子注入和干法去胶中。接触孔和通孔工艺在0.5μm工艺以下容易发生等离子损伤，包括开孔和Ti/TiN淀积工艺，在0.5μm以上这些工艺步骤不会出现等离子损伤，但等离子损伤会在孔与通孔的干法去胶工艺中发生。

随着干法去胶设备的大量应用，虽有利地避免了湿法去胶对金属层的影响，但同时也对Al-n+接触方块电阻带来了一定影响，下面是两种不同干法去胶机台对Al-n+接触方块电阻的比较。

图5 两种去胶机台比较

从图5上可以明显看出，在其他工艺条件均相同的情况下，对接触孔进行去胶机选择，利用射频去胶要比微波去胶机台n+接触电阻大50%，造成该异常现象的原因从欧姆接触形成的两个充分条件分析来看：首先可以排除衬底浓度发生变化，造成接触电阻偏大，因为射频去胶理论上不可能有其他杂质离子注入现象；那么可以推断金半接触势垒高度的变化应为引起欧姆接触电阻变大的原因，个人认为可能在进行干法去胶时对硅衬底表面造成破坏，从而引起表面态发生变化，势垒高度变高，进而导致欧姆接触电流变小，最后体现在欧姆接触方块电阻上就会有明显的变大。

后端工艺中欧姆接触电阻作为连线的重要组成部分，过大会增加芯片延时，不利于提高芯片工作频率。孔与通孔干法去胶等离子损伤对欧姆接触影响不容忽视，我们可以根据电路本身需求选择合适干法去胶设备或湿法去胶，从而避免等离子损伤带来不可控因素。