第7章金属化与平坦化

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多层金属电极大致可分为两类：用于微波晶体管、超高 频低噪声管等器件的铝基系统和用于高频大功率管的金基系 统。按器件经受的环境和使用的条件不同，采用不同的多层 金属结构。但按照作用，大体可分为四层（由硅片表面向外 依次为）：欧姆接触层、粘附层、阻挡层以及导电层。
欧姆接触层的作用是与半导体层形成良好的欧姆接触， 性能稳定，不与硅或电路中相邻的其它材料形成高阻化合 物，厚度约几十纳米，目前最常用的是硅化钛。
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Байду номын сангаас
2.欧姆接触的制备 需要制备欧姆接触的地方并非都是重掺杂区，因次，必
须对要制作接触区的半导体进行重掺杂，以实现欧姆接触。 常用的方法有扩散法和合金法。合金法又叫烧结法，这
种方法不仅可以形成欧姆接触，而且也可制备PN结。合金 时，将金属放在wafer上，装进模具，压紧后，在真空中加 热到熔点以上，合金溶解与wafer凝固而结合在一起，形成 欧姆接触，合金完成。整个过程分为升温、恒温、降温三个
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粘附层起到将接触层与二氧化硅和上面的金属层粘和起 来的作用，以便在二氧化硅上形成可靠的引线键合点。生产 上经常将粘附层与接触层或阻挡层结合在一起。
阻挡层一方面是为了防止导电层材料渗透至器件表面与 硅形成合金，另一方面又要阻挡导电层与下层金属形成高阻 化合物。因而，作为阻挡层的金属与硅的合金温度要足够 高，而且不会与相邻的金属形成高阻化合物。常用的是高熔 点金属钨、钼、镍等。
阶段。
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温度是合金质量好坏的关键。合金的方法很多，可在扩 散炉或烧结炉中通惰性气体或抽真空；也可在真空中进行。
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金属布线
金属层包括互连、接触以及栓塞等。互连是由铝、多晶 硅或铜等材料制成使不同器件之间的电信号可相互传输的金 属连线；接触是芯片内的器件与第一层金属在wafer表面的 连接；通孔是穿过介质层在某两层金属层之间形成导电通路 的开口；栓塞是通孔中填入的使金属层间电气导通的部分。
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导电层的电阻率要低，稳定性好，还要利于压焊引线， 常用的是铝、铜等材料。
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2.器件互连 （1）对用于器件互连的金属材料有以下一些要求：
电导率：为了保证器件电性能的完整性，金属材料必须 具有高的电导率，能够传导高的电流密度；
粘附性：材料须与下层衬底之间有良好的粘附性，容易 与外电路实现电连接。与半导体及器件中的其它金属之间连 接时接触电阻低；
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（2）多层电极 在一般的IC制造中通常采用铝作为电极，但对于高频
大功率器件、微波器件等会由于采用铝电极而导致器件失 效。要找到一种能完全代替铝的金属材料非常困难，金的导 电性很好但与二氧化硅之间的粘附性却很差，而且在高温下 会与硅形成金-硅合金；钼、铂等金属虽然熔点很高，但又 难以键合。因而只有采用多层金属电极。利用几种金属各自 的优点，取长补短，制作出符合要求的电极。
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欧姆接触
加工成型的金属互连线与半导体之间由于功函数的差异 会形成一个势垒区。若只是简单的将金属和半导体连接在一 起，接触区就会出现整流效应，这种附加的单向导电性，使 得晶体管或集成电路不能正常工作。要使接触区不存在整流 效应，就是要形成欧姆接触，良好的欧姆接触应满足以下的 条件：电压与电流之间具有线性的对称关系；接触电阻尽可 能低，不产生明显的附加阻抗；有一定的机械强度，能承受 冲击、震动等外力的作用。
随着IC尺寸的减小，对金属布线的要求也越来越高：电 阻率要低、稳定性要高；可被精细的刻蚀，具有抗环境侵蚀 的能力；易于淀积成膜，粘附性要好，台阶覆盖能力强；互
连线应具有很强的抗电迁移能力，可焊性好。
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1.多层金属布线 （1）多层金属布线结构
为了提高电路速度、集成度、缩短互连线，大规模集成 电路的金属层都是多层金属布线层。为了防止金属层之间的 短路，在层间 淀积了介电层 起到隔离作用。
第7章 金属化与平坦化
一、欧姆接触 二、金属布线 三、金属膜的制备 四、平坦化 五、铜金属化
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集成电路的各个组件制作完成后，需要按照设计要求将 这些组件进行相应的连接以形成一个完整的电路系统，并提 供与外电路相连接的接点，完成此项任务的就是金属布线。
金属化就是在组件制作完成的器件表面淀积金属薄膜， 金属线在IC中传导信号，介质层则保证信号不受临近金属线 的影响。平坦化就是将wafer表面起伏不平的介电层加以平 坦的工艺。经过平坦化处理的介电层，没有高低落差，在制 作金属线时很容易进行，而且光刻出的连线图形比较精确。
淀积：易于淀积，且经过低温处理后具有均匀的结构；
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图形：在金属层反刻时，与下层介质间的刻蚀分辨率 高，易于平坦化；
可靠性：为了在处理和应用过程中经受得住温度的循环 变化，金属应相对柔软且具有较好的延展性；
抗腐蚀性：抗腐蚀性要好，在层与层之间以及与下层器 件区之间具有最小的化学反应；
应力：抗机械应力性好，以便减少wafer的扭曲和断 裂、空洞以及应力等造成的材料失效。
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（2）互连金属 最早用于集成电路制造的金属就是铝，它也是最普遍的
互连金属，以薄膜的形式在wafer中连接不同的器件。 室温下，铝的电阻率比铜、金、银的电阻率稍高，但是
由于铜和银比较容易腐蚀，在硅和二氧化硅中的扩散率太 高，这些都不利于它们用于集成电路的制造；另外，金和银 的成本比铝高，而且与二氧化硅的粘附性不好，所以，也不 常用。铝则能很容易的淀积在wafer上，而且刻蚀时分辨率
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1.欧姆接触的形成条件 金属铝与轻掺杂浓度（ N D 1017 / cm3）的N型硅接触时，
形成整流接触；当提高N型硅的掺杂浓度（ND 1019 / cm3）后， 接触区的整流特性严重退化，电压-电流的正反向特性趋于 一致，即由整流接触转化为欧姆接触。
势垒越窄，遂穿效应越明显，而势垒的宽度取决于半导 体的掺杂浓度，掺杂浓度越高，势垒越窄。因此，只要控制 好半导体的掺杂浓度，就可以得到良好的欧姆接触。
较高，所以，作为首选金属用于金属化。
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对于多层电极系统，由于铜具有更低的电阻率，已在逐 步取代铝成为主要的互连金属材料。
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当电流密度较大时，电子与铝原子碰撞，使得铝原子发 生电迁移，原子移动导致原子在负极的损耗，发生损耗的地 方会出现空洞，金属连线变薄，极易引起断路，器件可靠性 较低。而在其它区域，由于原子的堆积会造成金属薄膜上出 现小丘，小丘短接会导致相邻的两条连线发生短路。器件工 作时，随着温度的增加，这两种缺陷会使铝的电迁移更加严 重，继而形成恶性循环 。