一、金属及金属性材料
1.按功能划分
①MOSFET栅电极材料－MOSFET器件的组成部分，对器件的性能起着重要的作用。
②互连材料－将同一芯片的各个独立的元件连接成为具有一定功能的电路模块。
③接触材料－直接与半导体材料接触的材料，以及提供与外部相连的接触点。 2.常用金属材料：Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等
3.常压的金属性材料：掺杂的poly-Si、金属硅化物（PtSi、CoSi）、金属合金（AuCu、CuPt、TiB2 、ZrB2 、TiC、MoC、TiN）
第六章 金属化与多层互连技术
二、集成电路对金属化的基本要求
1.对P＋、N＋或poly-Si形成低阻欧姆接触，即硅/金属接触电阻越小越好；
2.提供低阻互连线，从而提高集成电路的速度；
3.抗电迁移；
4.良好的附着性；
5.耐腐蚀；
6.易于淀积和刻蚀；
7.易键合；
8.层与层之间绝缘要好，即相互不扩散，即要求有一个扩散阻挡层。
第六章 金属化与多层互连技术
三、欧姆接触
1.定义：金属－相对于半导体主体或串联电阻，当半导体接触处的接触电阻可以忽略不计时，称为欧姆接触。
2.三个重要的参数：
①功函数：费米能级与真空能级的能量差.
金属功函数- WM；半导体功函数－ WS。
②肖特基势垒高度Φb: Φb＝WM- ,
③接触电阻RC:RC=(dV/dJ)v=0
低掺杂： ，A*-理查德逊常数
三、欧姆接触
高掺杂： ，
3.形成欧姆接触的方法
①低势垒欧姆接触：金属的功函数WM低于n半导体的功函数WS或金属的功函数WM高于p半导体的功函数WS。
实际：必须低于0.3eV以下才能形成欧姆接触。（由于有半导体表面态的存在，存在较宽的耗尽层。）
应用实例：测试探针
三、欧姆接触
②高复合欧姆接触：半导体表面高浓度缺陷，在表面耗尽区起复合中心作用，使RC明显减少。
工艺：半导体表面研磨或喷沙处理，离子注入。
应用：功率管背面金属化；接触电极。
三、欧姆接触
③高掺杂欧姆接触：在半导体表面扩散形成高掺杂层，金－半接触时，只形成很薄的耗尽区，载流子能以隧道穿透方式通过势垒。
工艺：载流子浓度大于1019 /cm3，耗尽区宽度小于10nm。
应用实例：引线孔
第六章 金属化与多层互连技术
四、 金属化的实现
1.真空蒸发淀积
①电阻加热蒸发：利用难熔金属电阻丝（W）或电阻片（Mo）加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。
淀积的金属：Al、Au、Cr等易熔化、气化金属。
②电子束蒸发：利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源，使之蒸发淀积在硅片表面。
淀积的金属：熔点>3000℃的难熔金属。
四、 金属化的实现
2. 溅射淀积
①定义：用核能离子轰击靶
材，使靶材原子从耙表面逸出，淀积在衬底材料上的过程。
被溅射材料称为靶材，作为阴极；而硅片作为阳极接地。
②机理：抽真空后充惰性气体，电子在电场加速下，与惰性气体碰撞，产生惰性气体离子和更多电子，而惰性气体离子打到靶材上时，溅射出耙原子则淀积在阳极衬底上形成薄膜。
四、 金属化的实现
③类型
直流溅射
磁控溅射
RF溅射
离子束溅射和反应金属
图8－5 平板型磁控溅射源示意图
由于在阴极面上存在极强的磁场，电子受洛伦茲力作用而被限制
在阴影区内，沿着类似摆线的轨迹运动（虚线），于是增加了电子
与气体的碰撞次数，增加了等离子体的密度，提高了溅射速率。
四、 金属化的实现
④溅射条件：
衬底温度：200～230℃；
背景真空：3×10－4Pa；
Ar气压:0.3Pa；
溅射速率：1.5nm/s。
五、铝硅接触
1. 合金化原理：铝和硅（重掺杂1019）在300℃以上可以在界面形成硅铝合金，从而形成半导体和金属的欧姆接触。
铝硅合金工艺：500℃（577℃共熔点），10～
15分钟。
金和硅共熔点:370℃
合金气氛：真空或H2 , N2混合。
五、铝硅接触
2.Al/Si接触的现象
①Al/Si互溶：Al在Si中的溶解度非常低；Si在Al中的溶解度相对较高：400℃时，0.25wt%;
450℃时，0.5wt%;500℃时，0.8wt%。
②Si在Al中扩散：Si在Al薄膜中的扩散比在晶体Al中大
40倍。
③与SiO2反应：3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3
好处：降低Al/Si欧姆接触电阻；改善Al与SiO2的粘附性
④Al/Si接触的尖楔现象：
五、铝硅接触
3. Al/Si接触的改善
①Al-Si合金金属化引线
②Al--掺杂poly-Si双层金属化结构
③ Al-阻挡层结构
4.电迁移现象及改进
①电迁移机理：在大电流密度作用下，导电电子与铝金属离子发生动量交换，使金属离子沿电子流方向迁移。迁移使金属离子在阳极端堆积，形成小丘或须晶，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路。
②电迁移现象的表征－中值失效时间MTF，即50％互连线失效的时间。
MTF与引线截面积成正比。
③改进电迁移的方法
a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。
b.Al-Cu(Al-Si-Cu)合金：Cu等杂质的分凝降低Al在晶粒间界的扩散系数。
c.三层夹心结构：两层Al之间加一层约500?的金属过渡层。
六、 多层布线
多层布线是高集成度的必然。
第一层：基本单元布线；
第二层：单元之间电路布线；
介质：SiO2 ， P S G ,Al2O3 ，聚铣亚铵
六、 多层布线
1.对布线材料的要求
①导电性好；②欧姆接触好；③与绝缘介质层的粘附性好；④对介质腐蚀液的抗蚀性好；⑤热匹配好。
常用材
料：Al、Al合金、Cu、MoSi等。
2.对绝缘介质的要求
①绝缘性好；②较高的介电强度和较低的介电常数；③理化性能稳定；④杂质离子的迁移率小；⑤易刻蚀
常用材料：SiO2、Al2O3、PSG、聚铣亚铵
六、 多层布线
3.影响多层布线质量的因素
①通孔：孔中残留的介质层；通孔过腐蚀。
解决：反应离子刻蚀
②介质层：绝缘层上的针孔；金属与绝缘层的热不匹配；介质层的介电强度过低；
解决：复合介质层
③台阶覆盖：随布线层数增加，台阶密度和高度明显增大。
解决：减薄介质层厚度；涂层形成等平面；通孔台阶减缓。
七. 欧姆接触能带论
1.肖特基势垒定义
金属—半导体接触通常形成肖特基势垒
(即整流结)，呈现二极管特性，从半导体
到金属形成势垒。a),b)
肖特基势垒高度定义为半导体和金属的
功函数之差φB = φm－Xs, 其中
φB : 肖特基势垒高度, φm : 金属的功函数, Xs ：半导体的功函数
a) 金属----半导体接触前能带图
b.金属－半导体接触后能带图
2.简并半导体
如c) 金属—n型半导体接触后能带图
肖特基势垒产生耗尽层，其W反比于掺
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