第二章集成电路设计技术与工具.

第二章集成电路材料与器件物理基础2.1引言2.2集成电路材料2.3半导体基础知识2.4PN结与结型二极管2.5双极型晶体管2.6MOS晶体管的基本结构与工作原理2.7金属半导体场效应晶体管MESFET2.8本章小结2.1引言集成电路是当今人类智慧结晶的最佳载体，其强大无比的功能产生于一系列重大的理论发现、重要的材料特性、奇特的结构构思、巧妙的技术发明和孜孜不倦的工艺实验。从某种意义上讲，集成电路设计者就是这一系列理论和技术的“集成”者。要实现这个集成，首先要对这些理论、材料、结构、技术与工艺基础等进行全面而深入的理解。本章主要简单介绍制造集成电路的关键材料、半导体材料的基础，以及典型器件的工作原理及其物理基础。2.2集成电路材料导电能力可以分为导体、半导体和绝缘体三类。是微电子系统则应用到所有三类材料。二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅（Si3N4）等绝缘体硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（GaP）、氮化镓（GaN）等半导体铝（Al）、金（Au）、钨（W）、铜（Cu）等金属，镍铬（NiCr）等合金；重掺杂的多晶硅导体电导率（S·cm-1）材料分类510~2-910~10-14-2210~10作为导体，铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集成电路工艺中主要具有如下功能：（1）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；（4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；（5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；（6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；（7）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。重掺杂的多晶硅电导率接近导体，因此常常被作为导体看待，主要用来构成MOS晶体管的栅极以及元器件之间的短距离互连。作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅的氧化物和氮化物在集成电路工艺中主要具有如下功能：（1）构成电容的绝缘介质；（2）构成金属-氧化物-半导体器件（MOS）的栅绝缘层；（3）构成元件和互连线之间的横向隔离；（4）构成工艺层面之间的垂直隔离；（5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。而半导体材料，也是集成电路制造中的核心材料，则主要利用半导体掺杂以后形成P型和N型半导体，在导体和绝缘体材料的连接或阻隔下组成各种集成电路的元件—半导体器件。半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。2.3半导体基础知识2.3.1固体的晶体结构固体分为晶体和非晶体两大类。晶体：宏观上具有对称的几何外形，微观上原子或离子呈现在空间有规则的周期性的排列。如用来制作集成电路的硅、锗、砷化镓等。晶体的性质与这种内在的周期性有关，内在的周期性导致电子共有化运动。非晶体：无论是否完整都没有固定的形状。如玻璃、橡胶等。电子共有化晶体中大量原子有规则排列,晶体中形成了如图所示的周期性势场,电子在这种周期性的势场中运动,对于高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可以在整个固体中自由运动。对于能量低于势垒高度的电子,也有一定的贯穿概率。价电子不再为单个原子所有,而为整个晶体所共有的现象称为电子共有化。晶体中周期性的势场a1E2E晶体原子在空间的周期排列就形成了具有一定几何外形的晶体，通常将这种周期排列称为晶格。较为常见的主要有简单立方、体心立方、面心立方和金刚石结构。砷化镓材料是一种面心立方；而硅和锗都是金刚石结构。（a）砷化镓材料的闪锌矿结构（b）硅材料的金刚石结构2.3.2固体能带结构基础2.3.2.1能带的形成对单个原子而言，电子在原子核外运动的轨迹是分立能级如果两个相同原子相互靠近，由于原子的相互作用，使得较高能级将分裂成邻近的两个能级，以满足泡利不相容原理当大量相同原子靠近并按照周期性排列后，它们相互作用并形成周期势场，导致能级发生分裂。量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级，称为能带。能带的宽度记作E，数量级为E～eV。能带的一般规律（1）外层电子共有化程度显著，能带宽度较宽；内层电子相应的能带较窄。（2）点阵间距越小，能带越宽，E越大。（3）两能带有可能重叠。能带中的电子排布服从泡利不相容原理和能量最低原理。电子根据泡利不相容原理先填满能级低的能级再填能级较高的能级。能带出现五种情况（a）导带部分填充情况（b）导带为空带价带为满带，且禁带较窄的情况满带能带中各能级都被电子填满。通常发生在内层能带（电子能量较低）。满带中的电子不能起导电作用。价带(valencebandEv)共价电子所在能级分裂后形成的能带。理想情况下，在价带之上能带是空的，没有电子，在价带之下的能带则是全部填满的。在半导体中，价带就是能带最高的满带。导带(conductionbandEC)电子部分填充的能带。导带中的电子容易在外场下运动而形成电流，所以称为导带。对半导体而言，导带则是紧邻价带的那个“空带”。空带所有能级均未被电子填充的能带。由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下是空的。当有激发因素（热激发、光激发等）时，价带中的电子能够被激发进入空带。在外电场作用下，这些电子的转移同样可以形成电流。所以，空带也是导带的一种。禁带在能带之间的能量间隙区，由于量子力学限制电子不能填充，这段能级区域称为禁带。导带和价带之间的禁带宽度对晶体的导电性有重要的作用。禁带不是一定存在的，如果上下能带重叠，其间的禁带就不存在。2.3.2.2导体、绝缘体和半导体的能带结构它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体导体由于导带不满或者满带与空带（或导带）重叠，在外加电场的作用下电子很容易从能带内或者交叠的能带中的较低能级向较高能级跃迁转移而形成定向移动，从而形成电流。(作业5：把下列元素按照原子核电子排列的方式画出来)绝缘体绝缘体的能带结构通常下图。最顶层的满带之上是没有电子填充的空带，并且空带与满带之间的禁带非常大（通常大于3电子伏特（eV），例如二氧化硅），满带中的电子很难从外界的光、电、热激发中获得足够的能量而跳跃到空带上来。由于满带中的电子对导电没有贡献，而空带中又没有电子参与导电，因此绝缘体的导电能力非常微弱。半导体半导体的能带结构与绝缘体类似。不同的是半导体的禁带宽度较窄，一般小于3eV，如图。由于半导体禁带宽度小，在外电场、光、热等能量的激发下，满带（通常该满带称为价带）顶部的电子比较容易获得足够的能量越过禁带跃迁到空带（通常称为导带），从而使得导带中存在少量的自由电子，而价带中由于少了一部分的电子而形成了具有正电性质的“空穴”。导带中的自由电子与价带中的空穴都能参与导电。()绝缘体与半导体的击穿当外电场非常强时，绝缘体与半导体的大量的共有化电子（价带电子）还是能越过禁带跃迁到上面的空带中。通常称为半导体与绝缘体被击穿。绝缘体半导体导体2.3.3本征半导体与杂质半导体本征半导体本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。当半导体价带（是一个满带）中一个电子被外界的能量激发到导带（是一个空带）上，则在导带中出现一个电子，相应地，价带中留下一个没有电子填充的“空位”,称为“空穴”满带(价带)空带(导带)hEg电子离开后留下的空穴相当于产生了一个带正电的粒子。空穴与导带中的电子带电相反，使得半导体处于电中性。导带价带空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来,这相当于空穴向下跃迁。价带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流,这称为空穴导电。Eg在外电场作用下,电子和空穴都参与导电。价带中的电子获得能量，越过禁带，跃迁到导带，成为自由电子。同时，在价带中留下相同数量的空穴。我们将这种激发产生的跃迁过程称为半导体的本征激发，所产生的自由电子和空穴称为本征载流子。本征激发所产生的自由电子和空穴数目是相同的。仅仅有本征激发的半导体是本征半导体。事实上，当半导体中有少量缺陷和杂质，但是半导体中电子和空穴主要是由本征激发产生的，我们也称之为本征半导体。杂质半导体由于特定杂质的掺入半导体，自由电子和空穴的数量（或者浓度）不再完全相同，而是根据杂质的性质不同，半导体中自由电子浓度会远大于或者远小于半导体中的空穴浓度。相应于本征半导体，杂质半导体也被称为非本征半导体。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为P型半导体和N型半导体。在P型半导体中空穴浓度远大于自由电子浓度，在N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度。P型半导体四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂质元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半导体，称p型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED～10-2eV，极易产生空穴导电。该能级称受主（acceptor）能级。P型半导体空穴——是多数载流子——多子电子——是少数载流子——少子Ec:conductionbandEv:valencebandEf:Fermilevel四价的本征半导体Si、Ｇｅ等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,ED～10-2eV，极易形成电子导电。该能级称为施主（donor）能级。N型杂质半导体N型半导体电子——是多数载流子——多子空穴——是少数载流子——少子2.3.4半导体的特性半导体材料具有以下特性：通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率。当半导体受到外界光电热等激发时，其导电能力将发生显著的变化。利用金属与掺杂的半导体材料接触，可以形成肖特基二极管和金属-半导体场效应晶体管（MESFET）与高电子迁移率晶体管（HEMT）等器件。对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度的掺杂，可以形成不同类型，不同功能的晶体管。利用金属-氧化物-半导体结构，可以形成PMOS、NMOS和CMOS场效应晶体管。总之，正是由于这些独特的特性使得半导体材料在微电子方面具有十分重要的作用。2.4PN结与结型二极管2.4.1PN结的形成在一块n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为ｐ型半导体。由于Ｎ区的电子向Ｐ区扩散，Ｐ区的空穴向Ｎ区扩散，在P型半导体和Ｎ型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内建场。内建场阻止电子和空穴进一步扩散内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。在ｐ型n型交界面附近形成的这种特殊结构称为PN结P-N结处存在电势差Uo也阻止N区带负电的电子进一步向P区扩散。它阻止P区带正电的空穴进一步向N区扩散；U00eU电子能级电势曲线电子电势能曲线PN结考虑到P-Ｎ结的存在，在讨论半导体中电子的能量时候应考虑进这内建场带来的电子附加势能。电子的能带出现弯曲现象。导带导带PN结0eU施主能级受主能级价带价带2.4.2PN结型二极管特性零偏压PN结两端不加偏压时称为零偏压情况零偏压时，P区和N区费米能级持平，电子占据水平相当，没有载流子流动，处于平衡状态。正向偏压在ＰＮ结的p型区接电源正极，叫正向偏压。外加电场与内建场方向相反，PN结总的电场减弱，阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向P区运动，形成正向电流。外Ep型n型IE从能带角度来说阻挡层势垒被削弱，阻挡层的总电场强度降低，PN结两端的能带弯曲变小。N区的费米能级高于P区的费米能级，电子和空穴容易获得足够的能量越过势垒区到达对方区域。从而有电流流过势垒区。反向偏压外Ep型n型IE在ＰＮ结的p型区接电源负极，叫反向偏压。外加电场与内建场方向相相同，阻挡层势垒被加强、变宽，阻碍了空穴向N区运动，也阻碍了电子向P区运动，只有反向漏电流流过。从能带角度来说阻挡层势垒被加强，阻挡层的总电场强度增大，PN结两端的能带弯曲变大。P区的费米能级高于N区的费米能级，电子和空穴不能越过势垒区到达对方区域。只