第2章微电子概论IC制造材料

第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系第2章IC制造材料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第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1集成电路材料表2.1集成电路制造所应用到的材料分类第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系集成电路虽然是导体、半导体和绝缘体三种材料有机组合形成的系统。但相对于其他系统，半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。集成电路通常是制作在半导体衬底材料之上的。同时，集成电路中的基本元件是依据半导体的特性构成的。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率。例如，在室温30℃时，在纯净锗中掺入亿分之一的杂质，电导率会增加几百倍。正是因为掺杂可控制半导体的电导率，才能利用它制造出各种不同的半导体器件。当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力将发生显著变化。利用这种热敏效应可制成热敏器件，另一方面热敏效应会使半导体的热稳定性下降，所以由半导体构成的电路中常采用温度补偿等措施。光照也可改变半导体的电导率，通常称之为半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器等。多种由半导体形成的结构中，当注入电流时，会发射出光，从而可制造出发光二极管和激光二极管。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系最基本的材料最基本的三种材料：硅（Si，Silicon），砷化钾（GaAs，Galliumarsenide）和磷化铟（InP，Indiumphosphide）。材料系统：以这些材料为衬底，可以做出复杂的材料系统，不同的固态器件(分立)和集成电路。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1.1硅（Si）锗和硅都是半导体材料。上世纪六十年代刚有半导体器件时，都是用的锗（第一个transistor和第一个IC）材料，因为单晶锗的制备比硅要容易。锗材料电子迁移率高，适合制作低电压器件。但锗器件的高温特性差，而且不能制作MOS集成电路。所以目前最主要的半导体材料是硅。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。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1.2砷化镓（GaAs）超高速：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和其他III/IV族化合物器件高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率等特性为提高器件速度提供了可能。超高频：fT可达150GHzGaAsIC的三种有源器件：MESFET（金属-半导体场效应晶体管），HEMT（高电子迁移率晶体管）和HBT。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1.3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。基于GaAs和InP基的半导体材料已经发展得很成熟，广泛地应用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1.4绝缘材料SiO2、Si0N和Si3N4是IC系统中常用的几种绝缘材料。功能包括：（1）充当离子注入及热扩散的掩膜。（2）作为生成器件表面的钝化层，以保护器件不受外界影响。（3）电隔离：器件之间、有源层及导线层之间的绝缘层；在MOS器件里，栅极与沟道之间的绝缘。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1.4绝缘材料随着连线的几何尺寸持续地缩小，需要低介电常数的层间绝缘介质，以减小连线间的寄生电容和串扰。对于250nm技术的产品，人们采用介电常数为3.6的SiOF介质材料；对于180nm技术的产品，人们则采用介电常数小于3.0的介质材料。另一方面，对大容量动态随机存储器（DRAM）的要求，推动了低漏电、高介电常数介质材料的发展。同时，高介电常数介质材料还可以在逻辑电路、混合信号电路中用于滤波电容、隔离电容和数模转换用电容的制造。C=εS/4πkd第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1.5金属材料金属材料有三个功能：①形成器件本身的接触线：②形成器件间的互联线；纳米管+石墨烯③形成焊盘。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1.5金属材料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，可形成欧姆接触或肖特基型接触。如果掺杂浓度足够高，隧道效应就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）。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。隧道效应：在粒子总能量低于势垒的情况下，粒子能穿过势壁甚至穿透一定宽度的势垒而逃逸出来的现象称为。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系器件互连材料包括金属，合金，多晶硅，金属硅化物铝，铬，钛，钼(mu)，铊(ta)，钨等纯金属薄层在VLSI制造中正逐步引起人们的兴趣。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，高电导率，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、栅极电容、电感传输线的电极等。2.1.5金属材料第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系铝（Al）在硅基VLSI技术中，由于铝几乎可满足金属连接的所有要求，所以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，金属连线的宽度越来越小，导致连线电阻越来越高，其RC常数成为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成为值得优先考虑的方法。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系铝合金只有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金属工艺中才采用合金。硅铝、铝铜、铝硅铜及钨锑等合金已用于增大电子迁移率、改进附着特性等，或用于形成特定的肖特基势垒。例如，在铝中多加1％的重量的硅便可使铝导线上的缺陷减至最少，而在铝中加入少量的铜，则可使电子迁移率提高10-1000倍；通过金属之间或与硅的互相掺杂可以增强热稳定性。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系铜(Cu）因为铜的电阻率为1.7/cm，比铝3.1/cm的电阻率低，从而可以在相同条件下减少约40％的功耗，能轻易实现更快的主频，并能减小现有管芯的体积。今后，以铜代替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，并开始销售采用铜布线的400MHzPowerPC芯片。IBM公司为苹果公司的新型iBook提供经过特殊设计的铜工艺芯片，这种耗能很低的芯片可以使iBook能够用一块电池工作一整天。0.18m的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系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。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系0.35umCMOS工艺的多层互联线第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系IC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。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1.6多晶硅多晶硅与单晶硅都是硅原子的集合体。且其特性都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300·cm。通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控制在500—0.005·cm多晶硅被广泛用于电子工业。在MOS及双极器件中，多晶硅用于制作栅极、形成源极与漏极（双极器件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、高值电阻等。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系多晶硅的制造技术多层硅层可用溅射法，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。–注入法的电阻率约是它的10倍。杂质浓度为1020cm-3。–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。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.1.7材料系统材料系统：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。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系半导体材料系统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（激光二极管）。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系半导体/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）。在SOI衬底上，可以形成MOS和双极性晶体管。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。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系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第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系固体材料分为两类：晶体和非晶体。晶体：从外观看晶体有对称的几何外形，微观上原子或离子在空间中呈现出有规则的周期性排列。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。2.2.1半导体（固体）的晶体结构第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系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。用来制作集成电路的硅、锗和砷化镓等都是晶体。砷化镓材料是一种面心立方；而硅和锗都是金刚石结构。而玻璃、橡胶等都是非晶体。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系晶格（a）砷化镓材料的闪锌矿结构（b）硅材料的金刚石结构第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系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。晶体中周期性的势场a1E2E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。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系电子共有化与能带形成能带的形成：晶体中电子共有化的结果，使得晶体内电子的能量状态不同于孤立原子中的电子，晶体内电子的能量可以处于一些允许的范围之内，这些允许的范围称为能带，而不能处于两个能带之间的区域，此区域称为禁带。第2章IC制造材料合肥工业大学计算机学院电子系2.2.2能带形成