金属和半导体形成低阻欧姆接触 ppt课件
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《金属半导体接触》课件
在金属和半导体的接触区域，由于能带结构的不同，电子的传输会受到限制或允 许，这决定了接触的导电特性。
电子传输机制
在金属和半导体的接触中，电子的传输机制主要有隧道效应和热电子发射两种。
隧道效应是指电子通过金属-半导体接触势垒的能力，即使在没有明显的能量间隙的 情况下，电子也可能通过量子力学隧道效应穿越势垒。
溶胶凝胶法具有操作简单、成本低廉等优点，适用于制备大面积、均匀的金属半导体接触。
04
金属半导体接触的应用
电子器件
晶体管
金属半导体接触在晶体管中起着 关键作用，通过控制金属与半导 体的接触状态，可以实现电流的 放大或开关功能。
集成电路
集成电路中包含大量的晶体管和 其他电子元件，金属半导体接触 在这些元件中扮演着重要的角色 ，影响着整个集成电路的性能。
新特性
在新材料的推动下，金属半导体接触呈现出 新的特性，如高导电性、高热稳定性、高稳 定性等。这些新特性使得金属半导体接触在 电子、光电子、热电子等领域的应用更加广 泛和深入。
新技术与新方法
新技术
随着科研技术的不断创新，金属半导体接触 领域也涌现出许多新的技术和方法。例如， 利用先进的纳米制造技术，可以实现金属和 半导体的原子级精确控制和优化，进一步提 高金属半导体接触的性能。
02
特性：金属半导体的电子结构、 界面能带结构、电荷转移和空间 电荷区等特性。
金属半导体接触的重要性
在电子器件和集成电路中，金属半导 体接触是实现电子传输和收集的关键 部分，对器件性能具有重要影响。
在太阳能电池、传感器和光电器件等 领域，金属半导体接触对于能量转换 和信号处理具有重要意义。
金属半导体接触的分类
来新的发展机遇和挑战。
挑战
电子传输机制
在金属和半导体的接触中，电子的传输机制主要有隧道效应和热电子发射两种。
隧道效应是指电子通过金属-半导体接触势垒的能力，即使在没有明显的能量间隙的 情况下，电子也可能通过量子力学隧道效应穿越势垒。
溶胶凝胶法具有操作简单、成本低廉等优点，适用于制备大面积、均匀的金属半导体接触。
04
金属半导体接触的应用
电子器件
晶体管
金属半导体接触在晶体管中起着 关键作用，通过控制金属与半导 体的接触状态，可以实现电流的 放大或开关功能。
集成电路
集成电路中包含大量的晶体管和 其他电子元件，金属半导体接触 在这些元件中扮演着重要的角色 ，影响着整个集成电路的性能。
新特性
在新材料的推动下，金属半导体接触呈现出 新的特性，如高导电性、高热稳定性、高稳 定性等。这些新特性使得金属半导体接触在 电子、光电子、热电子等领域的应用更加广 泛和深入。
新技术与新方法
新技术
随着科研技术的不断创新，金属半导体接触 领域也涌现出许多新的技术和方法。例如， 利用先进的纳米制造技术，可以实现金属和 半导体的原子级精确控制和优化，进一步提 高金属半导体接触的性能。
02
特性：金属半导体的电子结构、 界面能带结构、电荷转移和空间 电荷区等特性。
金属半导体接触的重要性
在电子器件和集成电路中，金属半导 体接触是实现电子传输和收集的关键 部分，对器件性能具有重要影响。
在太阳能电池、传感器和光电器件等 领域，金属半导体接触对于能量转换 和信号处理具有重要意义。
金属半导体接触的分类
来新的发展机遇和挑战。
挑战
金属和半导体的接触PPT演示课件
Wm
E Fm
金属
Ws
En
E0
EEFsc
Ev
n半导体
9
金属半导体接触前后能带图的变化：
Wm EFm
E0
Ws
Ec EFs
接触前
Ev
接触前，半导体的费米能 级高于金属（相对于真空 能级），所以半导体导带 的电子有向金属流动的可 能
E0
接触后
qm
EF
qVD Ec EF
xd
Ev
接触后，金属和半导体的费 米能级应该在同一水平，半 导体的导带电子必然要流向 金属，而达到统一的费1米0 能
在没有加电压的情况下，金半接触的系统处于平 衡态的阻挡层是没有净电流：
净电流J J J 0 s m m s
从金属流向半导体的电流和半导体流向金属的电 流相抵消。
所以，在没有外加电压时，半导体进入金属的电
子流和从金属进入半导体的电子流相等，方向相
反，构成动态平衡。
31
在紧密接触的金半之间加上电压时，电流的行为 会发生不同的响应。势垒高度为：
电场
E
qVD Ec EF
Ev
在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子 浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡 层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。 13
（2）金属－p型半导体接触的阻挡层
金属与P型半导体接触时，若Wm<Ws，即金属 的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的 多子空穴流向金属，使得金属表面带正电，半 导体表面带负电，半导体表面能带向下弯曲， 形成空穴的表面势垒。
Why?
22
实验表明，金半接触时的势垒高度受金属功函数 的影响很小。这是由于半导体表面存在表面态造 成的。
金属和半导体的接触ppt课件
解： 设室温下杂质全部电离，那么
故
E F E n0 C N kD l T n N N N C C D e E xC p E 0 C .k (0 E T F l2 )n 2 .6 8 1 1 1 0 1 70 9E C 0 .147
即
EFEC0.1(5 eV )
故n-Si的功函数为 W S ( E C E F ) 4 . 0 0 . 5 1 4 5 . 2 ( e 0 )V
电子亲和能χ：真空能级与导带底之差〔导带底电子逸出体外的最小能量〕
金属中的功函数
半导体中的功函数 和电子亲和能
二、接触电势差
7.1 金属半导体接触及其能级图2
〔Wm> Ws〕
接触电势差
外表势：半导体外表 和体内的电势差
金属和n型半导体接触能带图
阻挠层：高阻， 整流
反阻挠层：低 阻，欧姆
整流
欧姆
欧姆
➢ 与pn结二极管异同
一样点：都具有单导游电性 不同点：
——SBD主要运用于高速集成电路、微波技术等领域
作业-课后习题8
第七章 金属和半导体的接触
施主浓度ND=10 16cm-3的 n型Ge资料，在它的〔111〕面上与金属接触制成 肖特基二级管。知VD=0.4V,求加上0.3V电压时的正向电流密度。设εr=16， ε0=8.85×10-14F/cm 。室温下硅的NC=4×1018cm-3, 有效理查逊常数 A*=120 (mn*/m0) =120×1.11A/cm2.K2。
7.2 金属半导体接触整流实际10
➢ 镜像力影响
——金属外面的电子在金属外表感应出正电荷；电子所遭到感应电 荷的作用，相当于金属体内与电子等间隔位置等量正电荷的作用
镜像力
金属和半导体形成低阻欧姆接触
13 – 16 5 10
21
铝铜合金
由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因 此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的 电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒，在金属表面 金属原子堆起来形成小丘（如图所示）如果大量的小 丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在 一起。
当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会 被显著的改善。
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材
料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被 光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属 （通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
6
对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连
(2) 金属和半导体•形H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
1. 电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小 可以减少信号的延迟，增加芯片速度。
18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
19
合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低 阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
• 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
17
解决方法： 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜
21
铝铜合金
由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因 此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的 电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒，在金属表面 金属原子堆起来形成小丘（如图所示）如果大量的小 丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在 一起。
当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会 被显著的改善。
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材
料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被 光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属 （通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
6
对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连
(2) 金属和半导体•形H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
1. 电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小 可以减少信号的延迟，增加芯片速度。
18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
19
合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低 阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
• 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
17
解决方法： 采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜
半导体第七章金属和半导体的接触PPT课件
• 两种理论结果表示的阻挡层电流与外加电压变 化关系根本一致，表达了电导非对称性
• 正向电压，电流随电压指数增加；负向电压， 电流根本不随外加电压而变化
• JSD与外加电压有关；JST与外加电压无关， 强烈依赖温度T。当温度一定，JST随反向电压 增加处于饱和状态，称之为反向饱和电流。
③镜像力和隧道效应的影响
=qVD En
假设Wm>Ws，半导体外表形成正的空间电荷区， 电场由体内指向外表，Vs<0，形成外表势垒〔阻 挡层〕。
χ
Wm qΦns
qVD
Ec
En
(EF)s
Ev
能带向上弯曲，形成外表势垒。势垒区电子浓度 比体内小得多→高阻区(阻挡层)。
• 假设Wm<Ws，电子从金属流向半导体，半导体外 表形成负的空间电荷区，电场由外表指向体内， Vs>0。形成高电导区〔反阻挡层〕。
• 假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电 子数很少一局部，故半导体内的电子浓度可以 视为常数。
• 讨论非简并半导体的情况。
• 针对n型半导体，电流密度
J
J
sT
[exp(
qV k0T
)
1]
J sT
A*T 2 exp( qns ) k0T
其中理查逊常数
A*
4qmn*
k
2 0
h3
Ge、Si、GaAs有较高的载流子迁移率，有较大的 平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热 电子发射。
肖特基势垒二极管
与p-n结的相同点： 单向导电性 。 与p-n结的不同点： 〔1〕多数载流子器件和少数载流子器件 〔2〕无电荷存贮效应和有电荷存贮效应 〔3〕高频特性好。 〔4〕正向导通电压小。
半导体物理经典第八章金属半导体接触 ppt课件
A*T 2 exp( qns )
kT
ppt课件
40
有效理查逊常数
A*
4qmn*k 2
h3
热电子向真空发射的有效理查逊常数
A 120 A /(cm2 K 2 )
ppt课件
41
由上式得到总电流密度为：
J JSm Jms
A*T
2
exp(
qns
)exp(
qV
电子从半导体流向金属 这些电子由受主表面态提供 平衡时，费米能级达同一水平
空间电荷区的正电荷
＝表面受主态上的负电荷
＋金属表面负电荷
Wm
(EF )s (EF )m
ppt课件
Wm-Ws
qVD
EC (EF)s
(b) 紧密接触 24
qns
EC (EF)s
(c) 极限情形
表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图
当金属与n型半导体接触
Wm<Ws 半导体表面形成一个负的空间电荷区 电场方向由表面指向体内(Vs>0) 半导体表面电子的能量低于体内的，能
带向下弯曲
在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多， 因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层。
ppt课件
12
反阻挡层薄, 高电导, 对接触电阻影响小
-Wm
顶为 q0 的能级 对多数半导体， q0 约为禁带宽度的1/3
电子填满q0 以下所有表面态时，表面电中性 q0 以下的表面态空着时，表面带正电，
呈现施主型
q0 以上的表面态被电子填充时，表面带负电，
呈现受主型
ppt课件
18
Ws
qns
q0
qVD EC EF
半导体物理西交课件-金属和半导体的接触
金半接触整流理论
所需vx方向最小速度为： 2q (VD − V ) vx 0 = * m n 所以从半导体到金属的电流密度为：
* n 3/ 2
(7-34)
* 2 2 mn ∞ ∞ ∞ (v x + vy + vz2 ) m J s →m = qn0 dvx ∫−∞ dvz ∫−∞ dv y ∫vx 0 vx exp − 2k0T 2π k0T (7-35) qφns qV * 2 = A T exp − exp k T k T 0 0 * 2 其中： 4 π qm * n k0 (7-36) A = 3
形式与扩散理论相同，不同的是 JsT 与外加电压无关， 却强烈依赖于温度
金半接触整流理论
n
镜像力和隧道效应的影响
q2 镜像势 = − 16πε 0 x 所以电子电势能：
qN D 2 2 − qφ ( x) = 镜像势 − qV ( x) = − ( x − 2 xxd + xd ) 2ε
镜像力影响：
(7-9)
金 属
N-半导体
肖特基势垒高度：
qφns
金半接触及其能带图
金属-n型接触 电子反阻挡层
Wm < Ws
金属-p型接触 空穴阻挡层
Wm > Ws
eφm
金属-p型接触 空穴反阻挡层
eχ
eφm
Ec Ec Ei EF Ev
EF
eφ ps
Wm < Ws
Ei EF Ev
金半接触及其能带图
n型和p型阻挡层形成条件
其中：
1 * 2 E − Ec = mn v 2 * dE = mn vdv
金属半导体接触PPT幻灯片课件
负），使得n区电子漂移运动经过空间电荷区来到p区边界，p区空穴来 到n区边界，形成少数载流子的积累，即电荷存贮效应)
20
2)大的饱和电流
肖特基二极管是多子器件,而PN结二极管是少子器件,多子电流要比少子电流大的多, 即肖特基势垒二极管中的饱和电流远大于具有同样面积的PN结二极管的饱和电流。
3)低的正向电压降
26
4.8.2肖特基势垒箝位晶体管
由于肖特基势垒具有快速开关响应,因而可以把它和NPN晶体管的集电结
并联连接,以减小晶体管的存储时间,如左下电路图所示,当晶体管饱和,集电
结被正向偏置约为0.5V
C
C
E
B
B E
电路图
N+
N+
P
N N+ 集成结构
27
若肖特基二极管上的正向压降(一般为0.3V)低于晶体 管基极-集电极的开态电压,则大部分过量基极电流将流过 二极管,该二极管没有少数载流子存储效应,因此,与单独的 晶体管相比,合成器件肖特基势垒箝位晶体管的存储时间得 到了显著的降低。测得的存储时间可以低于1ns。肖特基势 垒箝位晶体管是按上图集成电路的形式实现的。铝在轻掺 杂的N型集电区上形成极好的肖特基势垒,同时在重掺杂的P 型基区上形成优良的欧姆接触.这两种接触可以只通过一步 金属化实现,不需要额外的工艺。
11
图4-4 被表面态箝位的费米能级
12
在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定Φb的数值中处于 支配地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的掺 杂度无关。由实验观测到的势垒高度列于表4-1中。可以发现 大多数半导体的能量E0是在离开价带边Eg/3附近。在半导体中， 由于表面态密度无法预知，所以势垒高度是一个经验值。
20
2)大的饱和电流
肖特基二极管是多子器件,而PN结二极管是少子器件,多子电流要比少子电流大的多, 即肖特基势垒二极管中的饱和电流远大于具有同样面积的PN结二极管的饱和电流。
3)低的正向电压降
26
4.8.2肖特基势垒箝位晶体管
由于肖特基势垒具有快速开关响应,因而可以把它和NPN晶体管的集电结
并联连接,以减小晶体管的存储时间,如左下电路图所示,当晶体管饱和,集电
结被正向偏置约为0.5V
C
C
E
B
B E
电路图
N+
N+
P
N N+ 集成结构
27
若肖特基二极管上的正向压降(一般为0.3V)低于晶体 管基极-集电极的开态电压,则大部分过量基极电流将流过 二极管,该二极管没有少数载流子存储效应,因此,与单独的 晶体管相比,合成器件肖特基势垒箝位晶体管的存储时间得 到了显著的降低。测得的存储时间可以低于1ns。肖特基势 垒箝位晶体管是按上图集成电路的形式实现的。铝在轻掺 杂的N型集电区上形成极好的肖特基势垒,同时在重掺杂的P 型基区上形成优良的欧姆接触.这两种接触可以只通过一步 金属化实现,不需要额外的工艺。
11
图4-4 被表面态箝位的费米能级
12
在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定Φb的数值中处于 支配地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的掺 杂度无关。由实验观测到的势垒高度列于表4-1中。可以发现 大多数半导体的能量E0是在离开价带边Eg/3附近。在半导体中， 由于表面态密度无法预知，所以势垒高度是一个经验值。
欧姆接触 ppt课件
e. 在接触周围的高电场作用下产生的边缘 漏泄电流或在金属一半导体界面处的陷
阱产生的界面电流(图中未绘出)。
欧姆接触的实现
• 目标:在接触区域形成高掺杂，形成高的激活率、光滑的 表面以及较少的缺陷
• 传统N极SiC材料的制备
• 掺杂方式：离子注入
• 实现步骤：用高能量的离子打入半导体选择区域达到掺杂、 改性、退火和隔离等工序
欧姆接触的实现
• 剥离工艺制作N极GaN半导体
• 步骤： 1. 在 Si(111)衬底上外延生长镓极性
是GaN 2. 将镓极性是GaN表面粘合到
Si(100) 3. 再将粘连 Si(100)的镓极性GaN倒
置,采用激光剥离工艺将 Si (111) 衬底剥离
欧姆接触的实现
• 生长工艺制作N极GaN半导体（ Sumiya M ）
ห้องสมุดไป่ตู้
• 欧姆接触原理：任何相接触的固体的费 米能级必须相等，费米能级和真空能级 的差值称为功函数，因此接触的金属和 半导体具有不同的功函数。
Ti/Al/Ni/Au合金与GaN的欧姆接触
欧姆接触工艺的优势
• 低电阻 • 高稳定性
欧姆接触工艺的优势
• 低电阻 • 高稳定性
• 欧姆接触的特点是接触点不产 生明显的附加电阻
欧姆接触的实现
从I/V特性曲线分析比接触电阻
欧姆接触工艺的进展和展望
欧姆接触工艺的进展和展望
欧姆接触工艺的进展和展望
N极GaN样品的AFM测试形貌
欧姆接触工艺的进展和展望
• 目标：制造稳定性更好的比接触电阻率更低的欧 姆接触器件
1. 进一步研究欧姆接触的形成机理和物理模型 2. 精确控制离子的注入，使掺杂纯度、区域、浓度尽可
阱产生的界面电流(图中未绘出)。
欧姆接触的实现
• 目标:在接触区域形成高掺杂，形成高的激活率、光滑的 表面以及较少的缺陷
• 传统N极SiC材料的制备
• 掺杂方式：离子注入
• 实现步骤：用高能量的离子打入半导体选择区域达到掺杂、 改性、退火和隔离等工序
欧姆接触的实现
• 剥离工艺制作N极GaN半导体
• 步骤： 1. 在 Si(111)衬底上外延生长镓极性
是GaN 2. 将镓极性是GaN表面粘合到
Si(100) 3. 再将粘连 Si(100)的镓极性GaN倒
置,采用激光剥离工艺将 Si (111) 衬底剥离
欧姆接触的实现
• 生长工艺制作N极GaN半导体（ Sumiya M ）
ห้องสมุดไป่ตู้
• 欧姆接触原理：任何相接触的固体的费 米能级必须相等，费米能级和真空能级 的差值称为功函数，因此接触的金属和 半导体具有不同的功函数。
Ti/Al/Ni/Au合金与GaN的欧姆接触
欧姆接触工艺的优势
• 低电阻 • 高稳定性
欧姆接触工艺的优势
• 低电阻 • 高稳定性
• 欧姆接触的特点是接触点不产 生明显的附加电阻
欧姆接触的实现
从I/V特性曲线分析比接触电阻
欧姆接触工艺的进展和展望
欧姆接触工艺的进展和展望
欧姆接触工艺的进展和展望
N极GaN样品的AFM测试形貌
欧姆接触工艺的进展和展望
• 目标：制造稳定性更好的比接触电阻率更低的欧 姆接触器件
1. 进一步研究欧姆接触的形成机理和物理模型 2. 精确控制离子的注入，使掺杂纯度、区域、浓度尽可
《金属半导体接触》课件
蒸发法：通过加热金属或半导体材料使其蒸发，然后在真空中 沉积在半导体表面
溅射法：利用高能粒子轰击金属或半导体材料，使其溅射到半 导体表面
化学气相沉积法：通过化学反应将金属或半导体材料转化为气 体，然后在半导体表面沉积
离子注入法：将金属或半导体材料离子化，然后注入到半导体 表面
外延生长法：在半导体表面生长一层金属或半导体材料，形成 金属半导体接触层
添加标题
添加标题
添加标题
半导体：导电性能介于导体和绝缘 体之间的物质，如硅、锗等
金属和半导体接触时，会产生接触 电阻，影响器件性能
金属半导体接触：金属与半导体之间的接触 形成原因：金属与半导体之间的电荷转移 形成条件：金属与半导体之间的电势差 形成过程：金属与半导体之间的电子或空穴的转移
半导体器件的基础：金属半导体接触是半导体器件的基础，决定了器件的性能和稳定性。
材料性质：金属半导体接触的电导和热导还与材料的性质有关，如材料的导电性和热导 性等
光电导效应：金属半导体接触在光照下产生光电流 光生伏特效应：金属半导体接触在光照下产生光电压 光致电阻效应：金属半导体接触在光照下电阻发生变化 光致热效应：金属半导体接触在光照下产生热量，影响接触性能
金属半导体接触的 制备方法
离子注入技术：将离子注入半导体表面，形 成掺杂层
化学气相沉积技术：利用化学反应，在半导 体表面形成薄膜
物理气相沉积技术：利用物理方法，在半导 体表面形成薄膜
化学机械抛光技术：利用化学和机械作用， 对半导体表面进行抛光处理
金属半导体接触的 应用
半导体二极管： 金属半导体接 触作为二极管 的电极，实现 电流单向导通
金属半导体接触的 研究进展
石墨烯：具有优异的导电性 和热导率，可作为新型金属 半导体接触材料
金属和半导体形成低阻欧姆接触PPT课件
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
20
硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅
铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
熔点(C)
金属化与平坦化
1
概述
金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金 属线连接起来构成具有各种功能的集成电路 的工艺。是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜 上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线 和集成电路的孔填充塞的过程。
2
互连金属
3
4
在集成电路中金属薄膜主要用于 1.欧姆接触（Ohmic Contact） 2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact） 3.低阻栅电极（Gate Electrode） 4.器件间互联（interconnect）
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材
料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被 光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属 （通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
6
对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连
(2) 金属和半导体•形H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
32
Polycide ：其一般制造过程是，栅氧化层 完成以后，继续在其上面生长多晶硅 (POLY-SI），然后在POLY上继续生长金属 硅化物（silicide），其一般为 WSi2 （硅化钨）和 TiSi2 （硅化钛）薄膜，然 后再进行栅极刻蚀和有源区注入等其他工 序，完成整个芯片制造。
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
20
硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅
铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
熔点(C)
金属化与平坦化
1
概述
金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金 属线连接起来构成具有各种功能的集成电路 的工艺。是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜 上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线 和集成电路的孔填充塞的过程。
2
互连金属
3
4
在集成电路中金属薄膜主要用于 1.欧姆接触（Ohmic Contact） 2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact） 3.低阻栅电极（Gate Electrode） 4.器件间互联（interconnect）
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材
料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被 光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属 （通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
6
对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连
(2) 金属和半导体•形H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
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Polycide ：其一般制造过程是，栅氧化层 完成以后，继续在其上面生长多晶硅 (POLY-SI），然后在POLY上继续生长金属 硅化物（silicide），其一般为 WSi2 （硅化钨）和 TiSi2 （硅化钛）薄膜，然 后再进行栅极刻蚀和有源区注入等其他工 序，完成整个芯片制造。
欧姆接触现代半导体物理ppt课件
于金属的功函数一般小于5eV，因此能够满足以上要求的金属-半 导体组合很少，特别是对于P型的宽禁带半导体材料而言，由于功 函数很大，因此找不到合适的金属材料与之匹配形成欧姆接触。另 外，半导体材料的功函数将随着掺杂浓度及温度变化，因此功函数 的不确定性也对选择合适的金属电极材料带来一定的难度；还有， 这种金属-半导体接触还或多或少存在少子注入的现象。因此工艺 上通常通过形成金属-半导体化合物、隧道结、半导体同型结等方
9.5 欧姆接触
金属-半导体的欧姆接触
金属-半导体之间为欧姆接 触时，金属的热电子功函 数应该等于半导体材料的 功函数，或者比N型半导体 的小（或者比P型半导体的 大），如图所示，半导体 表面为积累层。对于N型半 导体材料，电子从金属进 入N型半导体或从半导体进 入金属的势垒很小，或是 负的；同样对于P型半导体 材料，空穴从金属金土半 导体材料或从半导体材料 进入金属的势垒也很小， 或是负的。
4、如果两种材料接触处的电阻很小，而且电阻与电流方向及大小无 关，则称这种电接触为欧姆接触。
9.5 欧姆接触 形成欧姆接触的条件：
（1）金属与半导体间有低的势垒高度(Barrier Height) （2）半导体有高浓度的杂质掺入(N ≧10EXP12 cm-3)
9.5 欧姆接触
欧姆接触的评价标准：
1) 接触电阻很低：以至于不会影响器件的欧姆特性，即不会影响 器件I-V的线性关系。对于器件电阻较高的情况下（例如LED器件 等），可以允许有较大的接触电阻。但是目前随着器件小型化的 发展，要求的接触电阻要更小。 2) 热稳定性要高：包括在器件加工过程和使用过程中的热稳定性 。在热循环的作用下，欧姆接触应该保持一个比较稳定的状态， 即接触电阻的变化要小，尽可能地保持一个稳定的数值。 3) 欧姆接触的表面质量要好：且金属电极的黏附强度要高。金属 在半导体中的水平扩散和垂直扩散的深度要尽可能浅，金属表面 电阻也要足够低。
9.5 欧姆接触
金属-半导体的欧姆接触
金属-半导体之间为欧姆接 触时，金属的热电子功函 数应该等于半导体材料的 功函数，或者比N型半导体 的小（或者比P型半导体的 大），如图所示，半导体 表面为积累层。对于N型半 导体材料，电子从金属进 入N型半导体或从半导体进 入金属的势垒很小，或是 负的；同样对于P型半导体 材料，空穴从金属金土半 导体材料或从半导体材料 进入金属的势垒也很小， 或是负的。
4、如果两种材料接触处的电阻很小，而且电阻与电流方向及大小无 关，则称这种电接触为欧姆接触。
9.5 欧姆接触 形成欧姆接触的条件：
（1）金属与半导体间有低的势垒高度(Barrier Height) （2）半导体有高浓度的杂质掺入(N ≧10EXP12 cm-3)
9.5 欧姆接触
欧姆接触的评价标准：
1) 接触电阻很低：以至于不会影响器件的欧姆特性，即不会影响 器件I-V的线性关系。对于器件电阻较高的情况下（例如LED器件 等），可以允许有较大的接触电阻。但是目前随着器件小型化的 发展，要求的接触电阻要更小。 2) 热稳定性要高：包括在器件加工过程和使用过程中的热稳定性 。在热循环的作用下，欧姆接触应该保持一个比较稳定的状态， 即接触电阻的变化要小，尽可能地保持一个稳定的数值。 3) 欧姆接触的表面质量要好：且金属电极的黏附强度要高。金属 在半导体中的水平扩散和垂直扩散的深度要尽可能浅，金属表面 电阻也要足够低。
金属和半导体形成低阻欧姆接触80页PPT
T最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
金属和半导体形成低阻欧姆接触
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
金属和半导体形成低阻欧姆接触
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
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常用扩散阻挡层：TiN, TiW
较好的方法是采用阻挡层, Ti 或 TiSi2有好的接触和黏附 性,TiN 可作为阻挡层
ppt课件
16
2.铝的电迁移
• 当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离 子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移， 这种现象称为金属电迁移
• 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
ppt课件
17
解决方法：
采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜2～ 4％）合金。
铜原子在多晶状Al的晶粒边界处分凝，阻止 Al原子沿晶粒边界的运动。
优化版图设计，降低电流密度。
ppt课件
18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
金属化与平坦化
ppt课件
1
概述
金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金 属线连接起来构成具有各种功能的集成电路 的工艺。是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜 上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线 和集成电路的孔填充塞的过程。
ppt课件
2
互连金属
ppt课件
3
ppt课件
4
在集成电路中金属薄膜主要用于 1.欧姆接触（Ohmic Contact） 2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact） 3.低阻栅电极（Gate Electrode） 4.器件间互联（interconnect）
铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
ppt课件
14
金属和硅接触的问题---
1.尖峰现象"spiking" problems 硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下 空洞 ,Al填充到空洞,引起短路
ppt课件
15
解决spiking问题的方法
一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性 另一种方法是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )
ppt课件
6
对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连
(2) 金属和半导体•形H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
(5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象 (6) 易刻蚀 (7) 制备工艺简单
ppt课件
19
合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低 阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
ppt课件
20
硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅
低势垒欧姆接触 一般金属Al和/pP-S型0i.势4半e垒V导高度体 的接触势垒较低
高复合欧姆接触半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质
在半导体表面耗尽区中起复合中心作用
高掺杂欧姆接触
Al/N-Si势垒高度
0.7eV
需高掺杂欧姆接触
ppt课件
12
常用的金属化材料
1.Al 是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。 电阻率较低（ 20℃时具有2.65µΩ -cm ）；工艺
“填充薄膜”：是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属 层之间形成电连接。
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材
料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被 光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属 （通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
metal
Heavily doped N+ Si
Ohmic Contact
metal N- Si
Schottky Contact
金属/半导体的两种接触类型：
欧姆接触：具有线性和对称的V-I特性，且接 触电阻很小；
肖特基接触：相当于理想的二极管；
ppt课件
10
ppt课件
11
形成欧姆接触的方式
ppt课件
7
为了将半导体器件与外部有效地联系起来， 必须首先在半导体和互连线之间制作接触。
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
ppt课件
8
金属层和硅衬底形成什么接触？
ppt课件
9
金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触， 也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂 浓度及金－半接触的势垒高度
ห้องสมุดไป่ตู้简单； 易形成低阻欧姆接触。
ppt课件
13
铝互连
Via-4
Top Nitride
ILD-6
Metal-4 ILD-5
Metal-3 ILD-4
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
ppt课件
21
铝铜合金
由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因 此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的 电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒，在金属表面 金属原子堆起来形成小丘（如图所示）如果大量的小 丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在 一起。
当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会 被显著的改善。
ppt课件
5
金属化的几个术语
接触（contact）：指硅芯片内的器件与第一层金属层之 间在硅表面的连接
互连（interconnect）：由导电材料，(如铝，多晶硅或 铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分
通孔（via）：通过各种介质层从某一金属层到相邻的另 一金属层形成电通路的开口
Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的连线金属
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较好的方法是采用阻挡层, Ti 或 TiSi2有好的接触和黏附 性,TiN 可作为阻挡层
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16
2.铝的电迁移
• 当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离 子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移， 这种现象称为金属电迁移
• 后果： 电迁移会使金属离子在阳极端堆积，形成 小丘或晶须，造成电极间短路，在阴极端由于金属空 位的积聚而形成空洞，导致电路开路
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17
解决方法：
采用Al-Cu或Al-Si-Cu（硅1.2～2％，铜2～ 4％）合金。
铜原子在多晶状Al的晶粒边界处分凝，阻止 Al原子沿晶粒边界的运动。
优化版图设计，降低电流密度。
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18
3. Al 与二氧化硅的反应
4Al+3SiO22Al2O3+3Si 会使铝穿透下面的SiO2绝缘层，导致电极间 的短路失效。
金属化与平坦化
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1
概述
金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金 属线连接起来构成具有各种功能的集成电路 的工艺。是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜 上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线 和集成电路的孔填充塞的过程。
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互连金属
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4
在集成电路中金属薄膜主要用于 1.欧姆接触（Ohmic Contact） 2.肖特基接触（Schottky Barrier Contact） 3.低阻栅电极（Gate Electrode） 4.器件间互联（interconnect）
铝 (Al) 铜 (Cu) 钨 (W) 钛 (Ti) 钽 (Ta) 钼(Mo) 铂 (Pt)
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
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14
金属和硅接触的问题---
1.尖峰现象"spiking" problems 硅不均匀溶解到Al中，并向Al中扩散，硅片中留下 空洞 ,Al填充到空洞,引起短路
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15
解决spiking问题的方法
一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性 另一种方法是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )
ppt课件
6
对IC金属化系统的主要要求
(1) 低阻互连
(2) 金属和半导体•形H成i低gh阻s欧p姆ee接d触 (3) 与下面的氧化•层H或i其gh它r介e质lia层b的il粘it附y性好 (4) 对台阶的覆盖•好High density
(5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象 (6) 易刻蚀 (7) 制备工艺简单
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19
合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形成低 阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间的附着力
在硅片制造业中，常用的各种金属和金属合金
铝 铝铜合金 铜 硅化物 金属填充塞 阻挡层金属
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20
硅和硅片制造业中所选择的金属 (at 20°C)
材料
硅 (Si) 掺杂的多晶硅
低势垒欧姆接触 一般金属Al和/pP-S型0i.势4半e垒V导高度体 的接触势垒较低
高复合欧姆接触半导体表面的晶体缺陷和高复合中心杂质
在半导体表面耗尽区中起复合中心作用
高掺杂欧姆接触
Al/N-Si势垒高度
0.7eV
需高掺杂欧姆接触
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12
常用的金属化材料
1.Al 是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。 电阻率较低（ 20℃时具有2.65µΩ -cm ）；工艺
“填充薄膜”：是指用金属薄膜填充通孔，以便在两金属 层之间形成电连接。
层间介质（ILD:Inner Layer Dielectric ）：是绝缘材
料，它分离了金属之间的电连接。ILD一旦被淀积，便被 光刻刻蚀成图形，以便为各金属层之间形成通路。用金属 （通常是钨 W）填充通孔，形成通孔填充薄膜。
metal
Heavily doped N+ Si
Ohmic Contact
metal N- Si
Schottky Contact
金属/半导体的两种接触类型：
欧姆接触：具有线性和对称的V-I特性，且接 触电阻很小；
肖特基接触：相当于理想的二极管；
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10
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11
形成欧姆接触的方式
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7
为了将半导体器件与外部有效地联系起来， 必须首先在半导体和互连线之间制作接触。
早期结构是简单的AL/Si接触
Early structures were simple Al/Si contacts.
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8
金属层和硅衬底形成什么接触？
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9
金属层和硅衬底的接触，既可以形成整流接触， 也可以形成欧姆接触，主要取决于半导体的掺杂 浓度及金－半接触的势垒高度
ห้องสมุดไป่ตู้简单； 易形成低阻欧姆接触。
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13
铝互连
Via-4
Top Nitride
ILD-6
Metal-4 ILD-5
Metal-3 ILD-4
Bonding pad Metal-5 (Aluminum)
Metal-4 is preceded by other vias, interlayer dielectric, and metal layers.
ppt课件
21
铝铜合金
由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因 此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的 电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒，在金属表面 金属原子堆起来形成小丘（如图所示）如果大量的小 丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在 一起。
当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会 被显著的改善。
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5
金属化的几个术语
接触（contact）：指硅芯片内的器件与第一层金属层之 间在硅表面的连接
互连（interconnect）：由导电材料，(如铝，多晶硅或 铜)制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分
通孔（via）：通过各种介质层从某一金属层到相邻的另 一金属层形成电通路的开口
Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的连线金属
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