信息材料基础_第二章_微电子材料与器件

1、 第二章第二章 2.1.1 半导体性质半导体性质 电导率介于金属和绝缘体之间的材料称为半导体。电导率介于金属和绝缘体之间的材料称为半导体。 纯净半导体的电导率随温度升高而指数增加纯净半导体的电导率随温度升高而指数增加 杂质的种类和数量决定着半导体的电导率杂质的种类和数量决定着半导体的电导率 可以实现非均匀掺杂可以实现非均匀掺杂 半导体的电导率受光辐照和高能电子等的影响半导体的电导率受光辐照和高能电子等的影响 硅硅 ( Si ) 、锗、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：原子结构及简化模型： +14 2 8 4 +32 2 8418 +4 价电子价电子 惯性核惯性核 完全纯净的半导体称为本征半

2、导体。它们是完全纯净的半导体称为本征半导体。它们是 制造半导体器件的基本材料。制造半导体器件的基本材料。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 硅和锗共价键结构示意图：硅和锗共价键结构示意图： 共价键共价键 q当当T升高或光线照射时升高或光线照射时产生自由电子空穴对。产生自由电子空穴对。 q 共价键具有很强的结合力。共价键具有很强的结合力。 当当T=0K（无外界影（无外界影 响）时，共价键中无自由移动的电子。响）时，共价键中无自由移动的电子。 这种现象称这种现象称本征激发本征激发。 本征激发本征激发 当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留

3、 下空位，同时原子因失去价电子而带正电。下空位，同时原子因失去价电子而带正电。 当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成 一种运动，该运动可等效地看作是一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运动。 注意：注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。空穴运动方向与价电子填补方向相反。 自由电子自由电子 带负电带负电 半导体中有两种导电的载流子半导体中有两种导电的载流子 空穴的运动空穴的运动 空空 穴穴 带正电带正电 温度一定时：温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。 热平衡载流子浓度热平衡载流

4、子浓度 热平衡载流子浓度：热平衡载流子浓度： 本征半导体中本征半导体中 本征激发本征激发产生自由电子空穴对。产生自由电子空穴对。 电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量复合。复合。 i kT E i peATn g 22 3 0 T导电能力导电能力 ni 或光照或光照 热敏特性热敏特性 光敏特性光敏特性 v N N型半导体：型半导体： +4 +4 +5 +4 +4 简化模型：简化模型： N型半导体型半导体 多子多子自由电子自由电子 少子少子空穴空穴 自由电子自由电子 本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元素构成。元素构成。 v P P型半导体型半导体 +4 +4 +3 +4

5、+4 简化模型：简化模型： P型半导体型半导体 少子少子自由电子自由电子 多子多子空穴空穴 空空 穴穴 本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构成。 2.1.2 半导体能带结构半导体能带结构 电子共有化量子态能级电子共有化量子态能级电子填充能带模型电子填充能带模型 当原子组合成晶体后，电子的量子当原子组合成晶体后，电子的量子 态将发生质的变化，它不再是固定态将发生质的变化，它不再是固定 于个别原子上运动，而是穿行于整于个别原子上运动，而是穿行于整 个晶体中，电子运动的这种变化称个晶体中，电子运动的这种变化称 为为“共有化共有化”。 施主能级施主能级 受主能级受主能级 2

6、.1.3 半导体材料分类半导体材料分类 元素半导体：元素半导体： Si、Ge、P、C 化合物半导体：化合物半导体： GaAs、GaP、GaN 固溶体半导体：固溶体半导体： Si-Ge、Ga1-xAlxAs、HgxCd1-xTe 超晶格半导体：超晶格半导体： GaAs/AlGaAs 组分型、掺杂型、应变型组分型、掺杂型、应变型 2.2.1 p-n结的形成结的形成 由于由于N型半导体中有富裕的自由电子，而型半导体中有富裕的自由电子，而P型半型半 导体中有富裕的自由的空穴，所以当导体中有富裕的自由的空穴，所以当P型和型和N型半导型半导 体接触时，体接触时，P型半导体中的空穴就会向型半导体中的空穴就会

7、向N型中扩散，型中扩散， 而而N型半导体中的电子向型半导体中的电子向P型中扩散，结果是型中扩散，结果是P型端型端 带负电，而带负电，而N型端带正电。因而会形成型端带正电。因而会形成内建电场内建电场， 内建电场的方向从内建电场的方向从N型端指向型端指向P型端，从而又阻止电型端，从而又阻止电 子和空穴的扩散。最后，依靠电子和空穴浓度梯度子和空穴的扩散。最后，依靠电子和空穴浓度梯度 的扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附的扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附 近形成一个耗尽层，即近形成一个耗尽层，即p-n结结。 利用掺杂工艺，把利用掺杂工艺，把P P型半导体和型半导体和N N型半导体在原

8、子型半导体在原子 级上紧密结合，级上紧密结合，P P区与区与N N区的交界面就形成了区的交界面就形成了PNPN结。结。 掺杂掺杂 N型型P型型 PN结结 p-n结的形成结的形成 半导体半导体PN结能带图结能带图 半导体半导体PN结能带图结能带图 2.2.2 双极型晶体管双极型晶体管 由两个相距很由两个相距很 近的近的PN结组成结组成 又称三极管又称三极管 NPN晶体管的偏置情况晶体管的偏置情况 在正常使用条件下，晶体管发射结加正向小电压，称在正常使用条件下，晶体管发射结加正向小电压，称 为正向偏置；收集结加反向大电压，称为反向偏置。为正向偏置；收集结加反向大电压，称为反向偏置。 具有具有放大信

9、号放大信号的功能。的功能。 2.2.3 场效应晶体管（场效应晶体管（FET） 场效应晶体管分类场效应晶体管分类 S源极；源极； G栅极；栅极； D漏极漏极 MOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构 N沟沟MOSFET，电位低的一端为源，电位高的为漏；，电位低的一端为源，电位高的为漏； P沟沟MOSFET，电位高的一端为源，电位低的为漏；，电位高的一端为源，电位低的为漏； MOS场效应晶体管场效应晶体管 结型场效应管结型场效应管 金属半导体场效应管金属半导体场效应管 N N 2.2.4 集成电路发展简史集成电路发展简史 58年，锗年，锗 IC 59年，硅年，硅 IC 61年，年，SSI（10

10、100 个元件个元件/芯片）芯片） 62年，年，MOS IC 63年，年，CMOS IC 64年，线性年，线性 IC 65年，年，MSI （100 1000个元件个元件/ /芯片）芯片） 69年，年，CCD 70年，年，LSI （1000 10万个元件万个元件/ /芯片）芯片），1K DRAM 71年，年，8位位 MPU IC，4004 72年，年，4K DRAM，I2L IC 77年，年，VLSI（10万万 1000万个元件万个元件/ /芯片）芯片），64K DRAM ， 16位位 MPU 80年，年，256K DRAM ，2 m 84年，年，1M DRAM ，1 m 85年，年，32位位

11、MPU ，M68020 86年，年，ULSI（1000万万 10亿个元件亿个元件/ /芯片），芯片）， 4M DRAM ( 8106, 91mm2, 0.8 m, 150 mm ) ， 于于 89 年开始商业化生产，年开始商业化生产，95年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。 88年，年，16M DRAM（3107, 135mm2, 0.5 m, 200mm），）， 于于 92 年开始商业化生产，年开始商业化生产，97 年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。 91年，年，64M DRAM（1.4108, 198 mm2, 0.35 m, 200mm），）， 于于 94 年开始商业化生产，年开始商业化生产，

12、99 年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。 92年，年，256M DRAM（5.6108, 400 mm2, 0.25 m, 200mm），）， 于于 98 年开始商业化生产，年开始商业化生产，2002 年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。 95年，年，GSI（ 10亿个元件亿个元件/ /芯片），芯片）， 1G DRAM（2.2109, 700 mm2, 0.18 m, 200mm），）， 2000 年开始商业化生产，年开始商业化生产，2004 年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。 97年，年，4 G DRAM（8.8109, 986mm2, 0.13 m, 300 mm），）， 2003年进入商业化生产

13、。年进入商业化生产。 约有约有140亿个脑细胞，每个脑亿个脑细胞，每个脑 细胞可完成细胞可完成 “异或异或” 或或 “或非或非” 功能，长度功能，长度 约为约为150 m ，消耗的能量约为，消耗的能量约为 0.2 pJ 。 可在可在14 cm2的面积上制的面积上制 作出作出 140 亿个具有同样功能的器件，每个器件亿个具有同样功能的器件，每个器件 的长度约为的长度约为 15 m ，消耗的能量约为，消耗的能量约为 0.005 pJ， 工作寿命可达工作寿命可达10亿小时以上。亿小时以上。 集成电路工业发展的第一定律即所谓集成电路工业发展的第一定律即所谓 。 Intel 公司的创始人之一公司的创始人

14、之一戈登戈登摩尔摩尔先生在先生在1965年年4月月19日日 发表于发表于电子学杂志电子学杂志上的文章中提出，集成电路的能力将每上的文章中提出，集成电路的能力将每 年翻一番。年翻一番。1975 年，他对此提法做了修正，称集成电路的能年，他对此提法做了修正，称集成电路的能 力将每两年翻一番。力将每两年翻一番。 摩尔定律现在的表达是：在价格不变的情况下，摩尔定律现在的表达是：在价格不变的情况下， 2.2.5 集成电路的发展规律集成电路的发展规律 60年：年：0.5 英寸，英寸， 65年：年：1 英寸，英寸， 70年：年：2 英寸，英寸， 75年：年：3 英寸，英寸， 80年：年：4 英寸，英寸， 9

15、0年：年：6 英寸，英寸， 95年：年：8 英寸（英寸（200 mm ），）， 2000年：年：12 英寸（英寸（300 mm）。）。 2.2.6 集成电路分类集成电路分类 按集成电路功能按集成电路功能：数字集成电路和模拟集成电路：数字集成电路和模拟集成电路 按结构形式分类按结构形式分类：半导体集成电路、膜集成电路和：半导体集成电路、膜集成电路和 混合集成电路混合集成电路 按有源器件类型和工艺按有源器件类型和工艺：双极型集成电路和：双极型集成电路和MOS 集成电路集成电路 按规模大小分类按规模大小分类：小规模、中规模、大规模、超大：小规模、中规模、大规模、超大 规模、甚大规模、巨大规模。规模、

16、甚大规模、巨大规模。 指在一块玻璃或陶瓷基片上，用膜形指在一块玻璃或陶瓷基片上，用膜形 成技术和光刻技术等形成的多层金属成技术和光刻技术等形成的多层金属 和金属氧化物膜构成电路中全部元器和金属氧化物膜构成电路中全部元器 件及其互联而实现某种电路功能的集件及其互联而实现某种电路功能的集 成电路。成电路。 2.2.7 集成电路的发展展望集成电路的发展展望 目标：集成度目标：集成度 、可靠性、可靠性 、速度、速度 、功耗、功耗 、成本、成本 努力方向：线宽努力方向：线宽 、晶片直径、晶片直径 、设计技术、设计技术 1992 1995 1998 2001 2004 2007 比特比特/ / 芯片芯片

17、16 M 64 M 256 M 1 G 4 G 16 G 特征尺寸特征尺寸 （m） 0.5 0.35 0.25 0.18 0.12 0.07 晶片直径晶片直径 （mm） 200 200 200 400 200 400 200 400 200 400 美国美国 1992 2007 年半导体技术发展规划年半导体技术发展规划 美国美国 1997 2012 年半导体技术发展规划年半导体技术发展规划 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012 比特比特/ / 芯片芯片 256M1 G4 G 16 G 64 G256 G 特征尺寸特征尺寸 （ m） 0.250.180.150.1

18、30.10.070.05 晶片直径晶片直径 （mm） 200300300300300450450 我国国防科工委对世界硅微电子技术发展的预测我国国防科工委对世界硅微电子技术发展的预测 2000 2010 2020 集成度集成度 1 G 64 G 256 G 特征尺寸特征尺寸 （ m） 0.18 0.10 0.07 0.05 0.01 晶片直径晶片直径 （mm） 300 400 450 可以看出，专家们认为，可以看出，专家们认为， 即集成度每即集成度每 3 年乘以年乘以 4 ，而线宽则是每，而线宽则是每 6 年下降一半。年下降一半。 目前硅器件与集成电路占了目前硅器件与集成电路占了2000多亿美

19、元的多亿美元的 半导体市场的半导体市场的 95% 以上。以上。 1、单片系统集成（、单片系统集成（SOC） 2、整硅片集成（、整硅片集成（WSI） 3、半定制电路的设计方法、半定制电路的设计方法 4、微电子机械系统（、微电子机械系统（MEMS） 5、真空微电子技术、真空微电子技术 电子漂移速度快（硅的电子漂移速度快（硅的5. 7倍），抗辐射能力强，因此在武倍），抗辐射能力强，因此在武 器系统中有重要作用。器系统中有重要作用。 与目前已极为成熟的硅工艺有很好的兼容性，但可制成比与目前已极为成熟的硅工艺有很好的兼容性，但可制成比 硅器件与集成电路频率更高，性能更好的器件与集成电路，被硅器件与集成电

20、路频率更高，性能更好的器件与集成电路，被 誉为第二代硅技术。誉为第二代硅技术。 主要有主要有 SiC 与与 GaN 材料，主要优点是工作温度可高达材料，主要优点是工作温度可高达 300 摄氏度以上，因此在军用系统中有重要的应用价值。摄氏度以上，因此在军用系统中有重要的应用价值。 2.2.8 集成电路发展面临的问题集成电路发展面临的问题 如热力学限制。由于热扰动的影响，对数字逻辑系统，开如热力学限制。由于热扰动的影响，对数字逻辑系统，开 关能量至少应满足关能量至少应满足 ES 4kT = 1.6510 -20 J 。当沟道长度为。当沟道长度为 0.1 m 时，开关能量约为时，开关能量约为 510

21、 -18 J。在亚微米范围，从热力学的。在亚微米范围，从热力学的 角度暂时不会遇到麻烦。角度暂时不会遇到麻烦。 又如加工尺度限制，显然原子尺寸是又如加工尺度限制，显然原子尺寸是 最小可加工单位，但现在的最小加工单位远远大于这个数值。最小可加工单位，但现在的最小加工单位远远大于这个数值。 硅材料较低的迁移率将是影响硅材料较低的迁移率将是影响 IC 发展的一个重要障碍。发展的一个重要障碍。 包括电路限制、测试限制、互连限制、管脚数量限制、散包括电路限制、测试限制、互连限制、管脚数量限制、散 热限制、内部寄生耦合限制等。热限制、内部寄生耦合限制等。 2.2.9 集成电路基本工艺技术集成电路基本工艺技

22、术 器件设计器件设计 封装封装 电路设计电路设计 材料制备材料制备 Crystal Growth Slicing Graphite Heater Si Melt Si Crystal Polishing Wafering High Temp. Annealing Furnace Annealed Wafer Defect Free Surface by Annealing (Surface Improvement） Surface Defect Map Polished Wafer 横向加工横向加工：图形的产生与转移（又称为光刻，包括曝光、：图形的产生与转移（又称为光刻，包括曝光、 显影、刻蚀

23、等）。显影、刻蚀等）。 纵向加工纵向加工：掺杂（扩散、离子注入、中子嬗变等）：掺杂（扩散、离子注入、中子嬗变等） ， 薄膜制备（蒸发、溅射、热氧化、薄膜制备（蒸发、溅射、热氧化、CVD 等）。等）。 在大规模集成电路制造过程中，光刻是最复杂、最昂贵和在大规模集成电路制造过程中，光刻是最复杂、最昂贵和 最关键的技术。最关键的技术。光刻的成本占了总制造成本的光刻的成本占了总制造成本的 1/ /3 以上以上。在集。在集 成电路制造技术的发展过程中，光刻技术的贡献约占成电路制造技术的发展过程中，光刻技术的贡献约占 2/ /3 。 芯片制造芯片制造 涂光刻胶（正）涂光刻胶（正）选择曝光选择曝光 热氧化热

24、氧化 SiO2 工艺流程举例（工艺流程举例（PN 结的制造）结的制造） 去胶去胶掺杂掺杂 显影（第显影（第 1 次图形转移）次图形转移）刻蚀（第刻蚀（第 2 次图形转移）次图形转移） N P 蒸发镀蒸发镀 Al 膜膜光刻光刻 Al 电极电极 CVD 淀积淀积 SiO2 膜膜光刻引线孔光刻引线孔 SGD N 沟道硅栅沟道硅栅 MOSFET 剖面图剖面图 P NN CMOS 结构剖面图结构剖面图 衬底材料衬底材料 栅结构材料栅结构材料 互连材料互连材料 钝化层材料钝化层材料 封装材料封装材料 硅基微电子学中的材料系统硅基微电子学中的材料系统 锗（锗（Ge）是最早用于集成电路的衬底材料。是最早用于集

25、成电路的衬底材料。 Ge的优点：的优点： 载流子迁移率比硅高；载流子迁移率比硅高； 在相同条件下，具有较高的工作频率、较低的饱和在相同条件下，具有较高的工作频率、较低的饱和 压降、较高的开关速度和较好的低温性能。压降、较高的开关速度和较好的低温性能。 Ge的缺点：的缺点： 最高工作温度只有最高工作温度只有85，GeGe器件热稳定性不如硅；器件热稳定性不如硅； GeGe无法形成优质的氧化膜；无法形成优质的氧化膜； GeGe中施主杂质的扩散远比受主杂质快，工艺制作自中施主杂质的扩散远比受主杂质快，工艺制作自 由度小。由度小。 Ge禁带宽度禁带宽度0.72eV Si禁带宽度禁带宽度1.1eV 水平布

26、里奇曼法示意图水平布里奇曼法示意图 用途：用途：Ge、GaAs、GeSe、GeTe、ZnS等单晶制备等单晶制备 硅（硅（Si）是今后相当长时间内集成电路的衬底材料。是今后相当长时间内集成电路的衬底材料。 硅的硅的优点优点： Si器件的最高工作温度可达器件的最高工作温度可达200 ； 高温下可氧化生成二氧化硅薄膜；高温下可氧化生成二氧化硅薄膜； 受主和施主杂质扩散系数几乎相同；受主和施主杂质扩散系数几乎相同； Si在地壳中的储量非常丰富，在地壳中的储量非常丰富，Si原料是半导体原料中原料是半导体原料中 最便宜的。最便宜的。 硅材料发展趋势硅材料发展趋势： 晶片直径越来越大晶片直径越来越大 缺陷密

27、度越来越小缺陷密度越来越小 表面平整度越来越好表面平整度越来越好 单晶硅的制备过程单晶硅的制备过程 石英砂石英砂粗硅（工业硅）粗硅（工业硅）高纯多晶硅高纯多晶硅单晶硅单晶硅 纯度纯度9599 纯度纯度99.9999999 直拉法直拉法 优点优点： 不受容器限制，克服应力导不受容器限制，克服应力导 致晶体缺陷的缺点；籽晶旋转，致晶体缺陷的缺点；籽晶旋转， 克服熔体温度不均匀性引起的非克服熔体温度不均匀性引起的非 均匀凝固。均匀凝固。 用途用途：Si、Ge、GaAs单晶制备。单晶制备。 可批量生产可批量生产300mm硅单晶，硅单晶， 350mm的硅单晶制备也已成熟。的硅单晶制备也已成熟。 区熔法区

28、熔法 优点优点： 制备过程中熔体不与任制备过程中熔体不与任 何器物接触；熔区体积很小，何器物接触；熔区体积很小， 不需要保温隔热系统。杂质不需要保温隔热系统。杂质 对晶体的玷污很小。对晶体的玷污很小。 用途用途：Si、GaAs单晶制备。单晶制备。 绝缘层上硅绝缘层上硅SOI（silicon on insulator, SOI）是一种是一种 新型的硅芯片材料。新型的硅芯片材料。 SOI结构：结构： 绝缘层绝缘层/硅硅 硅硅/绝缘层绝缘层/硅硅 优点：优点： 减少了寄生电容，提高了运行速度减少了寄生电容，提高了运行速度（提高（提高20203535） 具有更低的功耗具有更低的功耗（降低（降低3535

29、7070） 消除了闩锁效应消除了闩锁效应 抑制了衬底的脉冲电流干扰抑制了衬底的脉冲电流干扰 与现有硅工艺兼容，减少了与现有硅工艺兼容，减少了13132020工序工序 绝缘层上硅绝缘层上硅SOI制备技术制备技术 注氧隔离技术（注氧隔离技术（Separation by Implanted Oxygen，SIMOX） 此技术在普通圆片的层间注入氧离子经超过此技术在普通圆片的层间注入氧离子经超过1300高温退高温退 火后形成隔离层。该方法有两个关键步骤：高温离子注入和后火后形成隔离层。该方法有两个关键步骤：高温离子注入和后 续超高温退火。续超高温退火。 键合再减薄的键合再减薄的BESOI技术技术 （B

30、ond and Etch back） 通过硅和二氧化硅键合通过硅和二氧化硅键合(Bond)技术，两个圆片能够紧密键技术，两个圆片能够紧密键 合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。这个过程合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。这个过程 分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另 一非氧化圆片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合一非氧化圆片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合 力度；第三步是通过研磨、抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片直力度；第三步是通过研磨、抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片直 到所要求的厚度。到所

31、要求的厚度。 键合技术工艺过程键合技术工艺过程 绝缘层上硅绝缘层上硅SOI制备技术制备技术 注氢智能剥离技术（注氢智能剥离技术（Smart Cut） 1995 年，年，M Bruel 利用键合和利用键合和 离子注入技术的优点提出了智能剥离子注入技术的优点提出了智能剥 离（离（Smart-Cut）技术。它是利用）技术。它是利用 氢离子注入到硅片中，形成具有气氢离子注入到硅片中，形成具有气 泡层的注氢片，与支撑硅片键合泡层的注氢片，与支撑硅片键合 （两个硅片中至少有一片的表面带（两个硅片中至少有一片的表面带 有热氧化的有热氧化的SiO2 覆盖层），经适当覆盖层），经适当 的热处理使注氢片从气泡层处

32、完整的热处理使注氢片从气泡层处完整 裂开，形成裂开，形成SOI 结构。结构。 注氢智能剥离工艺过程注氢智能剥离工艺过程 绝缘层上硅绝缘层上硅SOI制备技术制备技术 注氧隔离和键合的注氧隔离和键合的Simbond SOI技术技术 利用氧离子注入产生的一个分布利用氧离子注入产生的一个分布 均匀的离子注入层，并在退火过均匀的离子注入层，并在退火过 程中形成二氧化硅绝缘层。此二程中形成二氧化硅绝缘层。此二 氧化硅绝缘层用来充当化学腐蚀氧化硅绝缘层用来充当化学腐蚀 阻挡层，可对圆片在最终抛光前阻挡层，可对圆片在最终抛光前 器件层的厚度及其均匀性有很好器件层的厚度及其均匀性有很好 的控制。由于在此工艺中，

33、表层的控制。由于在此工艺中，表层 硅的均匀性由氧离子注入工艺来硅的均匀性由氧离子注入工艺来 控制，因此，顶层硅均匀性很好。控制，因此，顶层硅均匀性很好。 同时，绝缘埋层的厚度可随意调同时，绝缘埋层的厚度可随意调 节。节。 包括包括栅绝缘介质栅绝缘介质和和栅电极材料栅电极材料。 栅绝缘介质栅绝缘介质： 缺陷少、漏电流小、抗击穿强度高、稳定性缺陷少、漏电流小、抗击穿强度高、稳定性 好、与好、与Si有良好的界面特性、界面态密度低。有良好的界面特性、界面态密度低。 二氧化硅二氧化硅 氮氧化硅氮氧化硅 高高k材料材料 可有效防止硼离子扩散、高介电常数、可有效防止硼离子扩散、高介电常数、 低漏电流密度、高

34、抗老化击穿特性低漏电流密度、高抗老化击穿特性 增加介质层物理厚度、减小隧穿电流增加介质层物理厚度、减小隧穿电流 如：如：Ta2O5、TiO2、（、（Sr，Ba）TiO3等等 栅电极材料栅电极材料： 串联电阻小，寄生效应小。串联电阻小，寄生效应小。 Al 多晶硅多晶硅 Polycide/Salicide 不能满足高温处理的要求不能满足高温处理的要求 电阻率高电阻率高 多晶硅多晶硅/金属硅化物（金属硅化物（TiSi2、WSi2） 用平面工艺制作的单个器件必须用导线相互连接起用平面工艺制作的单个器件必须用导线相互连接起 来，称为互连。来，称为互连。 工艺（减法工艺）工艺（减法工艺）：首先去除接触孔处

35、的：首先去除接触孔处的SiO2层以暴露硅，层以暴露硅， 然后用然后用PVD（物理气相沉积）在表面沉积一层金属实现互（物理气相沉积）在表面沉积一层金属实现互 连。连。 互连材料包括互连材料包括金属导电材料金属导电材料和相配套的和相配套的绝缘介质材料绝缘介质材料。传。传 统的导电材料用统的导电材料用铝和铝合金铝和铝合金，绝缘材料用，绝缘材料用二氧化硅二氧化硅。 然而，目前然而，目前多层互连技术多层互连技术已成为已成为VLSI和甚大规模集成电路和甚大规模集成电路 （ULSI）制备工艺的重要组成部分。当前）制备工艺的重要组成部分。当前0.18m高性能高性能 ULSI（例如（例如CPU）已具有多达）已具

36、有多达7 层的铜互连线。因此，寻层的铜互连线。因此，寻 求求较低电阻率的金属互连线材料和较低介电常数的绝缘材较低电阻率的金属互连线材料和较低介电常数的绝缘材 料料已成为深亚微米和纳米器件的一大研究方向。已成为深亚微米和纳米器件的一大研究方向。 多层互连结构多层互连结构 集成度增加集成度增加 互连层数增加互连层数增加 互连引线面积、电阻增大互连引线面积、电阻增大 互连时延增加、信号衰减互连时延增加、信号衰减 优化互连布线设计优化互连布线设计 采用新的互连材料采用新的互连材料 Cu优点：优点： （1）铜的电阻率为）铜的电阻率为1.7/cm， 铝的电阻率为铝的电阻率为3.1/cm； （2）铜连线的寄生电容比铝连线小；）铜连线的寄生电容比铝连线小； （3）铜连线的电阻小，铜连线）铜连线的电阻小，铜连线IC功耗比铝连线功耗比铝连线IC功耗低；功耗