徐海銘，秦征峰，寇春梅，黃 蘊(yùn)

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，人們對(duì)歐姆接觸的低阻性能要求也越來越高。歐姆接觸是金屬與半導(dǎo)體界面的一種重要接觸形式，它會(huì)對(duì)器件的效率、增益和開關(guān)速度等性能指標(biāo)有直接影響，還可以用于一切器件和電路信號(hào)的輸入、輸出以及各元件間的相互連接。制備高性能且可靠的歐姆接觸不僅有利于技術(shù)改進(jìn)，還有較大的經(jīng)濟(jì)意義。

2 原理

歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體的接觸，而其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻，使得大多數(shù)的電壓降在有源區(qū)（Active region）而不在接觸面上。

歐姆接觸良好形成需要有兩個(gè)重要條件：

（1）金屬與半導(dǎo)體間有較低的勢(shì)壘高度（Barrier Height）；

（2）半導(dǎo)體有高濃度的雜質(zhì)摻入（N≥10×1018cm-3）。

前者可使界面電流中熱激發(fā)部分（Thermionic Emission）增加；后者則使半導(dǎo)體耗盡區(qū)變窄，電子有更多的機(jī)會(huì)直接穿透（Tunneling），而同時(shí)使Rc阻值降低。

任何兩種相接觸的固體的費(fèi)米能級(jí)（Fermi level）必須相等。費(fèi)米能級(jí)和真空能級(jí)的差值稱作功函。接觸金屬和半導(dǎo)體具有不同的功函，分別記為φM和φS。當(dāng)兩種材料相接觸時(shí)，電子將會(huì)從低功函一邊流向另一邊直到費(fèi)米能級(jí)相平衡。從而，低功函的材料將帶有少量正電荷而高功函材料則會(huì)變得具有少量電負(fù)性，最終得到的靜電勢(shì)稱為內(nèi)建場(chǎng)，記為Vbi，這種接觸電勢(shì)將會(huì)在任何兩種固體間出現(xiàn)，它是諸如二極管整流現(xiàn)象和溫差電效應(yīng)等的潛在原因。內(nèi)建場(chǎng)是導(dǎo)致半導(dǎo)體連接處能帶彎曲的原因，明顯的能帶彎曲在金屬中不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兒芏獭?/p>

在經(jīng)典物理圖像中，為了克服勢(shì)壘，半導(dǎo)體載流子必須獲得足夠的能量才能從費(fèi)米能級(jí)跳到彎曲的導(dǎo)帶頂，穿越勢(shì)壘所需的能量φB是內(nèi)建勢(shì)及費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶間偏移的總和。同樣對(duì)于n型半導(dǎo)體，φB=φM-χS，其中χS是半導(dǎo)體的電子親合能（electron affinity），定義為真空能級(jí)和導(dǎo)帶能級(jí)的差。對(duì)于p型半導(dǎo)體：φB=Eg- （φM-χS），其中Eg是禁帶寬度。當(dāng)穿越勢(shì)壘的激發(fā)是熱力學(xué)的，這一過程稱為熱發(fā)射。對(duì)于電接觸的情形，耗盡區(qū)寬度決定了厚度，其和內(nèi)建場(chǎng)穿透入半導(dǎo)體內(nèi)部長(zhǎng)度同量級(jí)。

根據(jù)上述簡(jiǎn)單的理論選擇導(dǎo)電、非反應(yīng)、熱力學(xué)穩(wěn)定、電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且低張力的接觸金屬，然后提高接觸金屬下方區(qū)域摻雜密度來減小勢(shì)壘高度差，就基本上可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)很好的歐姆接觸，但在實(shí)際工藝生產(chǎn)過程中往往與理論有一定的差異，出現(xiàn)各種各樣的實(shí)際問題。下面就對(duì)工藝生產(chǎn)中幾種歐姆接觸失效情況進(jìn)行分析研究。

3 目前歐姆接觸存在的問題及改進(jìn)措施

3.1 spiking現(xiàn)象

為了使歐姆接觸良好，以減小接觸電阻，往往在金屬與半導(dǎo)體接觸之后還需要進(jìn)行退火處理，在得到良好接觸狀態(tài)的同時(shí)，也帶來其他問題。對(duì)于用得較多的金屬電極材料Al，當(dāng)把Al-Si接觸系統(tǒng)放在N2氣中加熱到475℃時(shí)，幾分鐘后Al即可穿過其表面上很薄的自然氧化層而到達(dá)Si表面，并與Si相互擴(kuò)散、很好地熔合成一體，能夠得到很好的歐姆接觸，但是由于在接觸面上Al、Si原子不均勻相互擴(kuò)散，會(huì)有硅析出或有鋁刺產(chǎn)生，一旦出現(xiàn)spiking，要么會(huì)使得孔不通，造成電路接觸失效，要么會(huì)使得淺結(jié)導(dǎo)通，mos管失效。圖1是某電路Al-n+接觸方塊電阻map圖，該電路正常方塊電阻在110Ω/□左右，而實(shí)際測(cè)量的圓片方塊電阻從150Ω/□～700Ω/□不等。圖2為該電路硅析出情況。

通常解決該問題的一個(gè)方法就是在金屬Al中加入1%的Si，來減少在退火時(shí)出現(xiàn)毛刺。也可以在金屬Al與襯底之間增加Ti/TiN結(jié)構(gòu)，Ti起作粘附層及接觸之用。在高溫下，Ti與Si會(huì)形成一層電阻率極低的TiSi2。TiN起阻擋層用，它可有效地阻止Al/Si間的互熔，防止了結(jié)穿的發(fā)生。

圖1 方塊電阻map圖

圖2 電路硅析出情況

另外，在現(xiàn)代IC工藝中，Al不能完全滿足要求。因?yàn)樵贗C工藝中，當(dāng)歐姆接觸形成之后還需要施行500℃以上的其他工藝步驟，而Al-Si接觸系統(tǒng)承受不了這么高溫度的處理，則難以滿足熱穩(wěn)定性的要求，所以在IC中往往改用難熔金屬（Mo、Ta、Ti、W）的硅化物來制作歐姆接觸，這樣可以獲得很高的溫度穩(wěn)定性。不僅如此，而且這種硅化物還能夠改善歐姆接觸的性能。例如，對(duì)于使用最為廣泛的金屬硅化物TiSi2，由于在把Si上的Ti膜經(jīng)熱處理而形成TiSi2的過程中，將要消耗掉半導(dǎo)體表面上的一薄層Si，從而也就相應(yīng)地去掉了Si片表面上的缺陷和一些粘污，所以能夠獲得干凈、平整、性能良好的歐姆接觸。因此，難熔金屬的硅化物是一種較好的歐姆接觸金屬材料。

3.2 臺(tái)階覆蓋問題

臺(tái)階覆蓋是指覆蓋在孔上金屬的厚度最薄處占濺射金屬厚度的百分比。一般工藝上要求臺(tái)階覆蓋大于20%，保證金屬與有源區(qū)或多晶能夠完全接觸。圖3所示是臺(tái)階覆蓋比較差，甚至有的孔內(nèi)的金屬都出現(xiàn)了明顯的斷條，反應(yīng)在N+孔接觸方塊電阻上就是阻值很大或無窮大，造成芯片接觸失效。

臺(tái)階覆蓋差的解決方案較多，這里介紹幾種常用的方法：

（1）孔尺寸設(shè)計(jì)

孔的大小對(duì)孔填充有很大影響，孔直徑越大填充就越好，越能保證金屬與其他層次連接正常，但由于芯片面積、電路設(shè)計(jì)等需要孔不能做大，這時(shí)通常把孔口處做大，而孔底部是正常的直孔，這樣對(duì)孔的臺(tái)階覆蓋有很大改善，如圖4。

圖3 臺(tái)階覆蓋問題圖

圖4 調(diào)整孔尺寸后臺(tái)階覆蓋圖

同時(shí)在Al濺射前對(duì)孔進(jìn)行清洗的環(huán)節(jié)也很重要，像BOE漂時(shí)間、添加浸潤劑等都會(huì)影響孔的形貌從而影響孔的接觸電阻。如BOE漂時(shí)間過短，金屬Al與硅襯底接觸就會(huì)有殘留自氧化層，影響接觸；如BOE漂時(shí)間過長(zhǎng)，就有可能對(duì)重?fù)诫s過的襯底造成侵蝕，由于重?fù)诫s結(jié)較淺，過腐蝕后就不能形成良好的歐姆接觸，接觸方塊電阻勢(shì)必會(huì)很大。

（2）回流工藝

通常情況下會(huì)在孔開出后進(jìn)行一步回流工藝，回流在改善孔形貌的同時(shí)也會(huì)讓孔全面收緊，從而使得歐姆接觸方塊電阻變大，所以回流工藝的設(shè)計(jì)對(duì)保持較小接觸方塊電阻穩(wěn)定有很大影響。

（3）調(diào)高濺射金屬的襯底溫度

對(duì)襯底進(jìn)行加熱，這種方法比較常見，一般地加熱溫度要大于250℃，Al流動(dòng)性會(huì)明顯加強(qiáng)，臺(tái)階覆蓋才會(huì)有明顯的變化。

（4）對(duì)襯底進(jìn)行SPUTTER ETCTING，因?yàn)樗墒箍捉瞧交欣贏l的流動(dòng)。

（5）濺Al前，先濺一層WETTING LAYER，如冷Al、室溫Ti等。

（6）使用Substrate-bias sputter deposition。

4 等離子體損傷

工藝過程中受等離子損傷的工藝主要發(fā)生在多晶或金屬腐蝕、孔或通孔腐蝕、氧化膜淀積、離子注入和干法去膠中。接觸孔和通孔工藝在0.5μm工藝以下容易發(fā)生等離子損傷，包括開孔和Ti/TiN淀積工藝，在0.5μm以上這些工藝步驟不會(huì)出現(xiàn)等離子損傷，但等離子損傷會(huì)在孔與通孔的干法去膠工藝中發(fā)生。

隨著干法去膠設(shè)備的大量應(yīng)用，雖有利地避免了濕法去膠對(duì)金屬層的影響，但同時(shí)也對(duì)Al-n+接觸方塊電阻帶來了一定影響，下面是兩種不同干法去膠機(jī)臺(tái)對(duì)Al-n+接觸方塊電阻的比較。

圖5 兩種去膠機(jī)臺(tái)比較

從圖5上可以明顯看出，在其他工藝條件均相同的情況下，對(duì)接觸孔進(jìn)行去膠機(jī)選擇，利用射頻去膠要比微波去膠機(jī)臺(tái)n+接觸電阻大50%，造成該異?，F(xiàn)象的原因從歐姆接觸形成的兩個(gè)充分條件分析來看：首先可以排除襯底濃度發(fā)生變化，造成接觸電阻偏大，因?yàn)樯漕l去膠理論上不可能有其他雜質(zhì)離子注入現(xiàn)象；那么可以推斷金半接觸勢(shì)壘高度的變化應(yīng)為引起歐姆接觸電阻變大的原因，個(gè)人認(rèn)為可能在進(jìn)行干法去膠時(shí)對(duì)硅襯底表面造成破壞，從而引起表面態(tài)發(fā)生變化，勢(shì)壘高度變高，進(jìn)而導(dǎo)致歐姆接觸電流變小，最后體現(xiàn)在歐姆接觸方塊電阻上就會(huì)有明顯的變大。

后端工藝中歐姆接觸電阻作為連線的重要組成部分，過大會(huì)增加芯片延時(shí)，不利于提高芯片工作頻率?？着c通孔干法去膠等離子損傷對(duì)歐姆接觸影響不容忽視，我們可以根據(jù)電路本身需求選擇合適干法去膠設(shè)備或濕法去膠，從而避免等離子損傷帶來不可控因素。

5 總結(jié)

當(dāng)前IC集成度越來越高，尺寸越來越小，精度越來越高，對(duì)半導(dǎo)體中的接觸方塊電阻穩(wěn)定和精度要求也在不斷提高。以上討論都是工藝上造成n型歐姆接觸電阻變化的重要原因，在文中提出了等離子損傷對(duì)接觸電阻的影響，需要根據(jù)電路工藝要求來選擇合適的干法工藝機(jī)臺(tái)。

［1］James D.Plummer Silicon VLSI Technology Fundamentals[M].Practice and Modeling,2006.

［2］張林，等.N+多晶硅/SiC異質(zhì)結(jié)歐姆接觸[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006，27.

［3］張萬榮，等.半導(dǎo)體器件歐姆接觸中的擴(kuò)散阻擋層[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，1998，（5）.

［4］張躍宗，等.N-GaN/Ti/Al/Ni/Au歐姆接觸溫度特性及微結(jié)構(gòu)研究[J].微納電子技術(shù)，2007.