ch02ic制造材料结构与理论

1、IC第二章2.12.22.32.42.5集成电路材料半导体基础知识PN结与结型二极管双极型晶体管基本结构与工作原理MOS晶体管基本结构与工作原理2009/7/1512.1集成电路材料表2.1集成电路所应用到的材料2009/7/152材 料电 导 率导 体铝、金、钨、铜等105 S·cm-1半 导 体硅、锗、砷化镓、磷化铟等10-910-2 S·cm-1绝 缘 体SiO2、SiON、Si3N4等10-2210-14S·cm-1n 半导体材料在集成电路的用掺入杂质可改变电导率/热敏效应/光电效应中起着根本性的作表2.2半导体材料的重要物理特性n 硅，砷化镓和磷化铟是最

2、基本的三种半导体材料2009/7/1532.1.1n 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）硅 (Si)n 价格低廉，占领了90的 IC市场2009/7/1542.1.2砷化镓 (GaAs)n 能工作在超高速超高频，其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n GaAs的优点: fT可达150GHz/可制作发光器件/工作在更高的温度/更抗辐射性能n GaAs IC 的三种有源器件: MESFET, HEMT 和HBT2009/7/1552.1.3磷化铟 (InP)n 能工作在超高速超高频n 三

3、种有源器件: MESFET, HEMT和HBTn 广泛应用于光纤通信系统中光纤的最小色散（1.3um）和最小衰减覆盖了（1.55um）的两个窗口2009/7/1562.1.4绝缘材料n SiO2 、SiON和Si3N4是 IC 系统中常用的几种绝缘材料功能：n 充当离子注入及热扩散的掩膜n 器件表面的钝化层n 电2009/7/1572.1.5金属材料n 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2009/7/158n 半导体表面制作了后，根据金属的种类及半导体掺杂浓度的不同，可形成型接触或欧姆接触 如果掺杂浓度较低，半导体结合面形成型接触， 如果掺杂浓

4、度足够高，以致以抵消势垒的影响，那么就形成了欧姆接触(双向低欧姆电阻值)。n 器件互连材料金属，合金，多晶硅，金属硅化物2009/7/159IC用金属材料铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯合金薄层在VLSI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及绝缘材料有良附着力，高导电率，可塑性，容易部连线相连。，并容易与外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。2009/7/1510铝（Al）在Si基VLSI技术中，由于Al几乎可满足接的所有要求，被广泛用于制作欧姆接触及导线。随着器件的日益减小，金属化区域的宽度也越来越小，故连线电阻越来越高，其R

5、C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。2009/7/1511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、增大迁移率、增强扩散，改进附着特性等。或用于形成特定的势垒。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101000倍；性。通过金属之间或与Si的互相掺杂可以增强热2009/7/1512铜(Cu)因为铜的电阻率为1.7 mW×cm,比铝3.1mW×cm的电阻率低,展

6、的趋势.今后,以铜代铝将成为半导体技术发公司最早推出铜布线的CMOS工艺,实现了400MHzPowerPC.0.18mm的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺.2009/7/1513金与金合金n 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。故对形成的金属有一定的限制。n 而GaAs、InP衬底的半绝缘性质及化学计量法是挑选所使用附加考虑因素。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

7、及InP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。2009/7/1514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，即更高的Q值。上传输线和电感有在大部分GaAsIC工艺中有一个标准的工序：即把第一层金属布线与形成合起来。（MESFET)势垒与栅极形成结2009/7/1515两层与多层金属布线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

8、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。2009/7/15160.35um CMOS工艺的多层互联线2009/7/1517IC设计与金属布线n 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。n 对于电路设计者而言，布线的技巧包含合理使用，减少寄生电容或在可能的情况下合理利用寄生电容等。2009/7/15182

9、.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300 W·cm 。通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被5000.005 W·cm在工业。在MOS及双极器件中，多多晶硅被广泛用于晶硅用制作栅极、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）。2009/7/1519多晶硅的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

10、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。2009/7/15202.1.7材料系统n 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。n 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2009/7/1521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(Ga

11、As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。迁移率晶体管HEMT。制作高制作高性能的LED及LD。2009/7/1522半导体/绝缘体材料系统n 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: Silicon On Insulator)。n 注入氧（SIMOX）和晶片粘接两种SOI技术（P.21）n SOI: 由于在器件的有源层和衬底之间的层厚，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。2009/7/15232.12.22.32.42.5集成电路材料半导体基础

12、知识PN结与结型二极管双极型晶体管基本结构与工作原理MOS晶体管基本结构与工作原理2009/7/15242.2.1半导体的晶体结构n 固体材料分为两类：晶体和非晶体。从外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、橡胶等都是非晶体。2009/7/15252.2.2本征半导体与杂质半导体n 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，本征激发所产生的加电场作用下，和空穴数目是相同的。在外和空穴的方向相反，但由于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漂移电

13、流。和空穴两种2009/7/1526杂质半导体n 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。2009/7/1527P型半导体n 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，产生1个空位。n 空穴为多数载流子，为少数载流子。n 3价杂质的原子很容易接受价质”。，称为“受主杂2009/7/1528N型半导体n 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。为多数载流子，空穴为少数载流子。n 在半导体内产生多余的，称为“施主杂质”。2009/7/15292.12.22.32.42.5了解集成电路材料半导体基础知识PN结与结

14、型二极管双极型晶体管基本结构与工作原理MOS晶体管基本结构与工作原理2009/7/15302.3.1PN结的扩散与漂移图2.2PN结的形成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。2009/7/1531扩散n 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。32扩散电流图2.3 平衡状态下的PN结扩散：浓度差漂移：电场漂移电流

15、在耗尽区中正负离子形成了一个电场，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的继续进行，另一方面，将产生漂移电场作用下向P区漂移，即进入空间电荷区的空穴在内建向N区漂移。漂移和扩散方向相态平衡时，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。2009/7/15332.3.2PN结型二极管(a)(b)(c)图2.4 PN结二极管原理性结构(a) 符号(b)与I-V特性曲线(c)2009/7/1534PN结电学特性n 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；n 在反向电压作用下，最多只有一个很小的反向电流流通。2009/7/15352.3

16、.3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常至少包含栅-源和栅-漏两个结。因此，它们的等效电路中通结二极管。2009/7/15362.3.4n 在半导体器件与集成电路接触过程中，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，这些结应当是接触，或者说，这里不应阻的“结”。工程中，这种欧姆接触通过对接触挡载流子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（）变得

17、如此之薄，以至于载有更大量的以容易地利用量子隧穿效应相对地传输。2009/7/15372.12.22.32.42.5集成电路材料半导体基础知识PN结与结型二极管双极型晶体管基本结构与工作原理MOS晶体管基本结构与工作原理2009/7/15382.4 双极型晶体管基本结构与工作原理n 由于晶体管有两个PN结，所以它有四种不同的运用状态。（1） 发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态；（2） 发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态；（3） 发射结反偏，集电结也反偏时，为截止工作状态；（4） 发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。2009/7/1539电流放大作用发射结的注入基区中的输运与

18、复合和集电区的收集电流双极型晶体管的放大作用就用正向电流放大倍数F来描述,F定义为：F =IC/IB2009/7/15402.5 MOS晶体管的基本结构与工作原理图2.8MOS管的物理结构与电路符号2009/7/1541n 工作原理：如果没有任何外加偏置电压，这时， 从漏到源是两个背对背的二极管。它们之间所能 流过的电流就是二极管的反向漏电流。在栅电极 下没有导电沟道形成。如果把源漏和衬底接地， 在栅上加一足够高的正电压， 从静电学的观点看，这一正的栅电压将要排斥栅下的P型衬底中的可动的空穴电荷而吸引。在表面聚集到一定浓度时，栅下的P型层将变成N型层，即呈现反型。N反型层与源漏两端的N型扩散层

19、连通，就形成以为载流子的导电沟道。2009/7/1542阈值电压 VTn 引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压VT。n 往往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度，从而改变阈值电压。2009/7/1543改变阈值电压n 对NMOS晶体管而言，注入P型杂质，将使阈值电压增加。反之，注入N型杂质将使阈值电压降低。n 如果注入剂量足够大，可使器件沟道区反型变成N 型的。这时，要在栅上加负电压，才能减少沟道中浓度，或消除沟道，使器件截止。在这种情况下，阈值电压变成负的电压，称其为夹断电压。2009/7/1544n 根据阈值电压不同，常把MOS器件分成增强型 和耗尽型两种器件。对于N沟MOS器件而言，将 阈值电压VT0的器件称为增强型器件，阈值电 压VT0的器件，称为耗尽型器件。n 在CMOS 电路里，全部采用增强型的NMOS 和PMOS。2009/7/1545一、三个区域图2.9 (a) Vgs>VT, Vds=0V (b) Vgs>VT, Vds<Vgs-VT沟道