薄膜炼金术：从原子到芯片的微观革命（四）

金属化及平坦化

金属化就是通过真空蒸发或溅射等方法形成金属膜，然后通过光刻、刻蚀，把金属膜的连接线刻画形成金属膜线，这是构成器件功能的关键

平坦化就是将晶圆表面起伏不平的介电层加以平坦的工艺。经过平坦化处理后的介电层无悬殊的高低落差，这样，很容易进行接下来的第二层金属内连线制作，而且导线图案比较准确。

一、金属化

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。

1.欧姆接触

良好的欧姆接触应满足以下的条件：

① 电压与电流之间具有线性的对称关系；

② 接触电阻尽可能低，不产生明显的附加阻抗；

③ 有一定的机械强度，能承受冲击、震动等外力的作用。

形成欧姆接触的方法有三种：半导体高掺杂的欧姆接触、低势垒高度的欧姆接触和高复合中心欧姆接触。

半导体高掺杂的欧姆接触 

在器件制造中常使用半导体高掺杂接触方法。由于电子隧穿的概率与势垒高度密切相关，而势垒高度又取决于半导体表面的掺杂浓度。势垒越窄，隧穿效应越明显，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。当掺杂浓度越高，通常大于10E19 /cm3时，半导体表面势垒高度很小，载流子以隧穿方式穿过势垒，从而形成欧姆接触。该方式的接触电阻是随掺杂浓度变化而变化的。

低势垒高度的欧姆接触

低势垒高度的欧姆接触是一种肖特基接触，比如铂与P型硅的接触。当金属功函数大于P型硅材的功函数，而小于N型硅的功函数时，金属-半导体接触即可形成理想的欧姆接触。但是，由于金属-半导体界面的表面态的影响，使得半导体表面感应空间电荷区层，形成接触势垒。因此，在半导体表面掺杂浓度较低时，很难形成较理想的欧姆接触。

高复合中心欧姆接触

当半导体表面具有较高的复合中心密度时，金属-半导体间的电流传输主要受复合中心所控制。高复合中心密度会使接触电阻明显减小，伏安特性近似对称，在此情况下，半导体也可以与金属形成欧姆接触。

随着微电子器件特征尺寸越来越小，硅片面积越来越大，集成度水平越来越高，对互连和接触技术的要求也越来越高。

除了要求形成良好的欧姆接触，还要求布线材料满足以下要求：

(1) 电阻率低，稳定性好；

(2) 可被精细刻蚀，具有抗环境侵蚀的能力；

(3) 易于沉积成膜，粘附性好，台阶覆盖好；

(4) 具有很强的抗电迁移能力，可焊性良好。

2. 合金工艺

3. 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，将金属放在晶圆上，装进模具，压紧后，在真空中加热到熔点以上，合金溶解与晶圆凝固而结合在一起，形成欧姆接触，合金完成。整个过程分为升温、恒温、降温三个阶段。

二、平坦化

随着集成电路的集成度的增加，晶圆表面无法提供足够的面积来制作所需的内连线，特别是一些十分复杂的产品，如微处理器等，需要更多层的金属连线才能完成微处理器内各个元件间的相互连接，这样两层以至于多层内连线就出现了。多层内连线在连接过程中，除插塞处外，必须避免一层金属线与另一层金属线直接接触而发生短路现象，金属层之间必须用绝缘体加以隔离。

用来隔离金属层的这层介电材质，称为“金属间介电层”。金属间介电层的制作涉及到溅射、CVD、光刻、刻蚀等诸多工艺技术。要获得平坦的介电层是很困难的，而且容易发生孔洞现象。并且，介电层沉积随着金属层表面变得高低不平，因为沉积层不平坦，又将使得接下来的第二层金属层的光刻工艺在曝光聚焦上有困难，而影响光刻影像传递的精确度，给刻蚀也带来难度。集成电路的多层布线势在必行，于是平坦化就成为了新出现的一种工艺技术。

常用的介电层材料有硼磷硅玻璃(BPSG)、SiO2和Si3N4，其中SiO2使用得最普遍。

平坦化技术包括：反刻法、玻璃回流法、旋涂膜层以及化学机械平坦化法。 

1.反刻法

反刻法，是先沉积一层牺牲层来填充晶圆表面的空洞和凹槽，然后再用干法刻蚀技术刻蚀掉牺牲层，通过比低处图形快的刻蚀速率刻蚀掉高处图形达到平坦化的效果。刻蚀直到待刻材料达到最后的厚度，而且牺牲层材料仍然填充着晶圆表面的凹槽。

2.玻璃回流法

玻璃回流是在高温下对掺杂氧化硅加热，使其流动，从而达到局部平坦化的效果。例如，使用硼磷硅玻璃（BPSG）在温度850℃的氮气环境下退火，硼磷硅玻璃流动性可以获得平坦化也可填充孔洞。

3.旋涂膜层法旋涂膜层是在晶圆表面旋涂不同液体材料以获得平坦化的一种技术，主要用于0.35μm及以上尺寸的器件平坦化与缝隙填充。这种方法的平坦化效果与溶液的成分、分子重量等因素都有关。旋涂的材料可以是光刻胶、掺杂二氧化硅或各种树脂。

旋涂后通过烘烤蒸发掉溶剂，留下氧化硅填充低处的间隙，为了进一步填充表面的缝隙，可采用CVD法再沉积一层氧化硅。4.化学机械平坦化法化学机械平坦化法（CMP），是利用晶圆和抛光头之间的运动来平坦化的，通过比去除低处图形快的速度去除高处图形来获得平坦的表面。

抛光头与晶圆之间有磨料，利用加压使得磨料与晶圆表面相互作用达到平坦化的效果。CMP的抛光精度比较高，是目前使用最广泛的平坦化技术。

磨料和抛光垫是抛光过程的消耗品，它们对化学机械抛光的质量影响非常大，必须严加控制。

（磨料由研磨颗粒和化学药品混合而成，常用的磨料有氧化物磨料、金属钨磨料以及金属铜磨料等。氧化物磨料是用于氧化物介质抛光的磨料，它是一种含有超精细硅胶颗粒的氢氧化钾或氢氧化铵溶液；金属钨磨料的研磨颗粒是氧化铝粉末或硅胶；金属铜磨料中需加入氢氧化铵和氧化铝的合成物，再用研磨颗粒磨去。）

在化学机械平坦化法中决定抛光速率和平坦程度的重要部件是抛光垫。抛光垫通常用聚亚胺脂做成，聚亚胺脂有类似海绵的机械弹性和吸水特性。抛光垫中的小孔对磨料的传输和抛光均匀性都有帮助。在完成一些晶圆的抛光后，抛光垫的表面会变得平坦光滑，这样，抛光垫对颗粒的控制能力降低，而且抛光速率会降低。因此，使用过程中，抛光垫需要定期更换。

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信息来源：半导体大军公众号