Ch02IC制造材料结构与理论

112009/7/15第二章IC制造材料结构与理论2.1集成电路材料2.2半导体基础知识2.3PN结与结型二极管2.4双极型晶体管基本结构与工作原理2.5MOS晶体管基本结构与工作原理222009/7/15表2.1集成电路制造所应用到的材料分类10-22~10-14S·cm-1SiO2、SiON、Si3N4等绝缘体10-9~10-2S·cm-1硅、锗、砷化镓、磷化铟等半导体105S·cm-1铝、金、钨、铜等导体电导率材料分类2.1集成电路材料332009/7/15„半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用掺入杂质可改变电导率/热敏效应/光电效应表2.2半导体材料的重要物理特性„硅，砷化镓和磷化铟是最基本的三种半导体材料442009/7/152.1.1硅(Si)„基于硅的多种工艺技术：双极型晶体管（BJT）结型场效应管（J-FET）P型、N型MOS场效应管双极CMOS（BiCMOS）„价格低廉，占领了90％的IC市场552009/7/152.1.2砷化镓(GaAs)„能工作在超高速超高频，其原因在于这些材料具有更高的载流子迁移率，和近乎半绝缘的电阻率„GaAs的优点:fT可达150GHz/可制作发光器件/工作在更高的温度/更好的抗辐射性能„GaAsIC的三种有源器件:MESFET,HEMT和HBT662009/7/152.1.3磷化铟(InP)„能工作在超高速超高频„三种有源器件:MESFET,HEMT和HBT„广泛应用于光纤通信系统中覆盖了玻璃光纤的最小色散（1.3um）和最小衰减（1.55um）的两个窗口772009/7/152.1.4绝缘材料„SiO2、SiON和Si3N4是IC系统中常用的几种绝缘材料功能包括：„充当离子注入及热扩散的掩膜„器件表面的钝化层„电隔离882009/7/15„金属材料有三个功能：1.形成器件本身的接触线2.形成器件间的互连线3.形成焊盘2.1.5金属材料992009/7/15„半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半导体掺杂浓度的不同，可形成肖特基型接触或欧姆接触如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面形成肖特基型接触，构成肖特基二极管。如果掺杂浓度足够高，以致于隧道效应可以抵消势垒的影响，那么就形成了欧姆接触(双向低欧姆电阻值)。„器件互连材料包括金属，合金，多晶硅，金属硅化物10102009/7/15IC制造用金属材料„铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯金属和合金薄层在VLSI制造中起着重要作用。这是由于这些金属及合金有着独特的属性。如对Si及绝缘材料有良好的附着力，高导电率，可塑性，容易制造，并容易与外部连线相连。„纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件间的互联线，栅及电容、电感、传输线的电极等。11112009/7/15铝（Al）„在Si基VLSI技术中，由于Al几乎可满足金属连接的所有要求，被广泛用于制作欧姆接触及导线。„随着器件尺寸的日益减小，金属化区域的宽度也越来越小，故连线电阻越来越高，其RC常数是限制电路速度的重要因素。„要减小连线电阻，采用低电阻率的金属或合金是一个值得优先考虑的方法。12122009/7/15铝合金„在纯金属不能满足一些重要的电学参数、达不到可靠度的情况下，IC金属化工艺中采用合金。„硅铝、铝铜、铝硅铜等合金已用于减小峰值、增大电子迁移率、增强扩散屏蔽，改进附着特性等。或用于形成特定的肖特基势垒。例如,稍微在Al中多加1wt%的Si即可使Al导线上的缺陷减至最少，而在Al中加入少量Cu，则可使电子迁移率提高10∼1000倍；„通过金属之间或与Si的互相掺杂可以增强热稳定性。13132009/7/15铜(Cu)„因为铜的电阻率为1.7μΩ⋅cm,比铝3.1μΩ⋅cm的电阻率低,今后,以铜代铝将成为半导体技术发展的趋势.„IBM公司最早推出铜布线的CMOS工艺,实现了400MHzPowerPC芯片.„0.18μm的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺.14142009/7/15金与金合金„由于GaAs与III/V器件及IC被应用于对速度与可靠性要求很高的行业，如电脑、通讯、军事、航空等。故对形成金属层所使用的金属有一定的限制。„而GaAs、InP衬底的半绝缘性质及化学计量法是挑选金属时的附加考虑因素。由于离子注入技术的最大掺杂浓度为3·1018cm-3，故不能用金属与高掺杂的半导体（3·1019cm-3）形成欧姆接触（受到最大掺杂浓度的限制）。这个限制促使人们在GaAs及InP芯片中采用合金（掺杂浓度低）作为接触和连接材料。在制作N型GaAs欧姆接触时采用金与锗(合金)形成的低共熔混合物。所以第一第二层金属必须和金锗欧姆接触相容，因此有许多金合金系统得到应用。15152009/7/15金与金合金(续)„基于金的金属化工艺和半绝缘衬底及多层布线系统的组合有一个优点，即芯片上传输线和电感有更高的Q值。„在大部分GaAsIC工艺中有一个标准的工序：即把第一层金属布线与形成肖特基势垒与栅极形成结合起来。（MESFET)16162009/7/15两层与多层金属布线„VLSI至少采用两层金属布线。第一层金属主要用于器件各个极的接触点及器件间的部分连线，这层金属通常较薄，较窄，间距较小。第二层主要用于器件间及器件与焊盘间的互联，并形成传输线。寄生电容大部分由两层金属及其间的隔离层形成。„多数VLSI工艺中使用3层以上的金属。最上面一层通常用于供电及形成牢固的接地。其它较高的几层用于提高密度及方便自动化布线。17172009/7/150.35umCMOS工艺的多层互联线18182009/7/15IC设计与金属布线„多数情况下，IC特别是VLSI版图设计者的基本任务是完成金属布线。因为基本器件其它各层的版图通常已经事先做好，存放在元件库中。门阵列电路中，单元电路内的布线也已经完成。„对于电路设计者而言，布线的技巧包含合理使用金属层，减少寄生电容或在可能的情况下合理利用寄生电容等。19192009/7/152.1.6多晶硅„多晶硅与单晶硅都是硅原子的集合体。„多晶硅特性随结晶度与杂质原子而改变。非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的，电阻率为300Ω·cm。通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控制在500—0.005Ω·cm„多晶硅被广泛用于电子工业。在MOS及双极器件中，多晶硅用制作栅极、形成源极与漏极（或双极器件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、薄PN结的扩散源、高值电阻等（例）。20202009/7/15多晶硅的制造技术„多晶硅层可用溅射法，蒸发或CVD法(一种外延生长技术）沉淀。„多晶硅可用扩散法、注入法掺杂，也可在沉淀多晶硅的同时通入杂质气体（In-Situ法）来掺杂。扩散法形成的杂质浓度很高（=1021cm-3），故电阻率很小。注入法的杂质浓度为1020cm-3，电阻率约是它的10倍。而In-Situ法的浓度为1020---1021cm-3。三种掺杂工艺中，后两种由于可在较低的工艺温度下进行而在VLSI工艺中被优先采用。21212009/7/152.1.7材料系统„材料系统指的是在由一些基本材料，如Si,GaAs或InP制成的衬底上或衬底内，用其它物质再生成一层或几层材料。„材料系统与掺杂过的材料之间的区别:在掺杂材料中,掺杂原子很少在材料系统中,外来原子的比率较高22222009/7/15半导体材料系统„半导体材料系统是指不同质（异质）的几种半导体(GaAs与AlGaAs,InP与InGaAs和Si与SiGe等)组成的层结构。„应用:制作异质结双极性晶体管HBT。制作高电子迁移率晶体管HEMT。制作高性能的LED及LD。23232009/7/15半导体/绝缘体材料系统„半导体/绝缘体材料系统是半导体与绝缘体相结合的材料系统。其典型代表是绝缘体上硅(SOI:SiliconOnInsulator)。„注入氧隔离（SIMOX）和晶片粘接两种SOI制造技术（P.21）„SOI:由于在器件的有源层和衬底之间的隔离层厚，电极与衬底之间的寄生电容大大的减少。器件的速度更快，功率更低。24242009/7/152.1集成电路材料2.2半导体基础知识2.3PN结与结型二极管2.4双极型晶体管基本结构与工作原理2.5MOS晶体管基本结构与工作原理25252009/7/152.2.1半导体的晶体结构„固体材料分为两类：晶体和非晶体。从外观看晶体有一定的几何外形，非晶体没有一定的形状。用来制作集成电路的硅、锗等都是晶体，而玻璃、橡胶等都是非晶体。26262009/7/152.2.2本征半导体与杂质半导体„本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。但是，当半导体的温度升高（例如室温300K）或受到光照等外界因素的影响时，本征激发所产生的自由电子和空穴数目是相同的。在外加电场作用下，电子和空穴的运动方向相反，但由于电子和空穴所带电荷相反，因而形成的电流是相加的，即顺着电场方向形成电子和空穴两种漂移电流。27272009/7/15杂质半导体„根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为N型半导体和P型半导体。28282009/7/15P型半导体„掺入少量的3价元素，如硼、铝或铟，有3个价电子，形成共价键时，缺少1个电子，产生1个空位。„空穴为多数载流子，电子为少数载流子。„3价杂质的原子很容易接受价电子，称为“受主杂质”。29292009/7/15N型半导体„掺入少量的5价元素，如磷、砷或锑，有5个价电子，形成共价键时，多余1个电子。„电子为多数载流子，空穴为少数载流子。„在半导体内产生多余的电子，称为“施主杂质”。30302009/7/152.1了解集成电路材料2.2半导体基础知识2.3PN结与结型二极管2.4双极型晶体管基本结构与工作原理2.5MOS晶体管基本结构与工作原理31312009/7/152.3.1PN结的扩散与漂移由于两种半导体内带电粒子的正、负电荷相等，所以半导体内呈电中性。图2.2PN结的形成32322009/7/15扩散运动„由于PN结交界面两边的载流子浓度有很大的差别，载流子就要从浓度大的区域向浓度小的区域扩散：P区中的空穴向N区扩散，在P区中留下带负电荷的受主杂质离子；而N区中的电子向P区扩散，在N区中留下带正电荷的施主杂质离子。在紧靠接触面两边形成了数值相等、符号相反的一层很薄的空间电荷区，称为耗尽层，这就是PN结。33332009/7/15图2.3平衡状态下的PN结在耗尽区中正负离子形成了一个电场ε，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区的。这个电场一方面阻止扩散运动的继续进行，另一方面，将产生漂移运动，即进入空间电荷区的空穴在内建电场ε作用下向P区漂移，自由电子向N区漂移。漂移运动和扩散运动方向相反。动态平衡时，扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，流过PN结的总电流为零。扩散电流漂移电流扩散：浓度差漂移：电场34342009/7/152.3.2PN结型二极管(a)(a)(b)(c)图2.4PN结二极管原理性结构(a)符号(b)与I-V特性曲线(c))1(DSD−=kTqVeII35352009/7/15PN结电学特性„具有单向导电性，即正向外加电压作用下，电流呈指数规律急剧增加；„在反向电压作用下，最多只有一个很小的反向电流流通。36362009/7/152.3.3肖特基结二极管图2.5金属与半导体接触金属与掺杂半导体接触形成的肖特基二极管的工作原理基于GaAs和InP的MESFET和HEMT器件中，其金属栅极与沟道材料之间形成的结就属于肖特基结。因此，它们的等效电路中通常至少包含栅-源和栅-漏两个肖特基结二极管。37372009/7/152.3.4欧姆型接触„在半导体器件与集成电路制造过程中，半导体元器件引出电极与半导体材料的接触也是一种金属-半导体结。但是我们希望这些结具有双向低欧姆电阻值的导电特性，也就是说，这些结应当是欧姆型接触，或者说，这里不应存在阻挡载流子运动的“结”。工程中，这种欧姆接触通过对接触区半导体的重掺杂来实现。理论根据是：通过对半导体材料重掺杂，使集中于半导体一侧的结（金属中有更大量的自由电子）变得如此之薄，以至