第2章 集成电路材料与器件物理基础

1、集成电路设计技术与工具集成电路设计技术与工具 第二章第二章 集成电路材料与器件物理基础集成电路材料与器件物理基础 本章基本要求：本章基本要求：掌握集成电路材料的种类及功能；掌握集成电路材料的种类及功能；了解半导体材料的特性；了解半导体材料的特性；了解欧姆型接触和肖特基（了解欧姆型接触和肖特基（Schottky）型型接触及其区别；接触及其区别；了解双极型晶体管、了解双极型晶体管、MOS晶体管及金属晶体管及金属半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MESFET)的基本的基本结构结构内容提要内容提要 v2.1 集成电路材料及其功能集成电路材料及其功能v2.2 半导体材料的特性半导体材料的特性v2.

2、3 欧姆型接触欧姆型接触v2.4 双极型晶体管的基本结构双极型晶体管的基本结构v2.5 MOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构v2.6 金属半导体场效应晶体管（金属半导体场效应晶体管（MESFET）的基本结构）的基本结构v2.7 本章小结本章小结2.1集成电路（集成电路（IC）材料及其功能）材料及其功能v材料按导电能力可以分为材料按导电能力可以分为导体、半导体和绝导体、半导体和绝缘体缘体三类三类 。IC制造所应用到的材料见下表：制造所应用到的材料见下表：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（

3、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（Scm-1）材 料分 类5102-91010-14-221010v作为导体，铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集作为导体，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：成电路工艺中主要具有如下功能：（1）构成低值电阻；）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；）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；）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

4、触；）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；）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；）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。）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，主要用来构成待，主要用来构成MOS晶体管的栅极以及元器件之间的短晶体管的栅极以及元器件之间的短距离互连。距离互连。 v作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅的氧作为绝缘体，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

5、功能：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；（）构成电容的绝缘介质；（MIM电容）电容）（2）构成金属）构成金属-氧化物氧化物-半导体器件（半导体器件（MOS）的栅绝缘层；）的栅绝缘层；（3）构成元件和互连线之间的横向隔离；）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；）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。）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。v半导体材料，是集成电路制造中的核心材料，则主半导体材料，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要利用半导体掺杂以后形成P型和型和N型半导

6、体，在导型半导体，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的元件半导体器件。半导体器件。 半导体材料在集成电路的制半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。造中起着根本性的作用。 2.2 半导体的特性半导体的特性v半导体材料具有以下特性：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。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。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利用金属与掺杂的半导体材料

7、接触，可以形成肖特基二极管和金属金属-半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MESFET）与高电子迁移率晶体）与高电子迁移率晶体管（管（HEMT）等器件。）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。成不同类型，不同功能的晶体管。利用金属利用金属-氧化物氧化物-半导体结构，可以形成半导体结构，可以形成PMOS、NMOS和和CMOS场效应晶体管。场效应晶体管。v总之，正是由于这些独特的特性使得半导体材料在微电总之，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。子方面具有十

8、分重要的作用。 2.3 肖特基接触与欧姆接触肖特基接触与欧姆接触v金属与半导体接触时，由于金属费米能级与半导体的费金属与半导体接触时，由于金属费米能级与半导体的费米能级不同，将导致电子从金属流向半导体或者半导体米能级不同，将导致电子从金属流向半导体或者半导体流向金属。从而形成流向金属。从而形成肖特基接触肖特基接触。v理论上当金属的费米能级高于理论上当金属的费米能级高于P型半导体的费米能级时，型半导体的费米能级时，或者金属费米能级低于或者金属费米能级低于N型半导体的费米能级时，由于型半导体的费米能级时，由于电子或空穴的流动将在半导体表面附近产生势垒区形成电子或空穴的流动将在半导体表面附近产生势垒

9、区形成肖特基接触。其他情况不形成肖特基接触肖特基接触。其他情况不形成肖特基接触v事实上由于半导体表面态的存在，事实上由于半导体表面态的存在，金属与轻掺杂的半导金属与轻掺杂的半导体接触都能形成肖特基接触体接触都能形成肖特基接触。v当金属与重掺杂当金属与重掺杂的半导体接触时，由于半导体中的多的半导体接触时，由于半导体中的多子浓度大，形成的势垒区将非常薄。这导致金属中的子浓度大，形成的势垒区将非常薄。这导致金属中的电子不用越过接触势垒就能够通过电子不用越过接触势垒就能够通过隧穿效应隧穿效应达到半导达到半导体中。半导体中的载流子同样如此。此时势垒对载流体中。半导体中的载流子同样如此。此时势垒对载流子的

10、阻碍作用几乎可以忽略，载流子能够子的阻碍作用几乎可以忽略，载流子能够 “自由自由”通过金属与半导体的接触区。这样的金属与半导体接通过金属与半导体的接触区。这样的金属与半导体接触称为触称为欧姆接触欧姆接触。2.4 双极型晶体管双极型晶体管2.4.1 双极型晶体管的基本结构双极型晶体管的基本结构 v在半导体晶体中形成两个靠得很近的在半导体晶体中形成两个靠得很近的PN结即可构成双结即可构成双极型晶体管。极型晶体管。v它们的排列顺序可以是它们的排列顺序可以是N-P-N或者或者P-N-P。前者我们称。前者我们称之为之为NPN晶体管晶体管，后者称之为，后者称之为PNP晶体管晶体管。v三个区域分别称为三个区

11、域分别称为发射区、基区和集电区发射区、基区和集电区，对应引出的，对应引出的电极分别称为发射极电极分别称为发射极E、基极、基极B和集电极和集电极C。E-B之间的之间的PN结称为发射结，结称为发射结，C-B之间的之间的PN结称为集电结。结称为集电结。v一般在制作时，一般在制作时，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区；基区做；基区做的很薄（以微米甚至纳米计）；的很薄（以微米甚至纳米计）；集电结的面积大于发射结的面积集电结的面积大于发射结的面积。因此，在使用时，因此，在使用时，E、C两个电极是不能交换的两个电极是不能交换的。电路符号中。电路符号中E电极电极的箭头，表

12、示正向电流的方向。的箭头，表示正向电流的方向。 NPN和和PNP晶体管的结构构成示意图、能带结构示意图和它们的晶体管符号。晶体管的结构构成示意图、能带结构示意图和它们的晶体管符号。 2.4.2 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理v由于晶体管有两个由于晶体管有两个PN结，所以它有四种不同的运用状结，所以它有四种不同的运用状态。态。（1）发射结正偏，集电结反偏时，为）发射结正偏，集电结反偏时，为放大放大工作状态；工作状态；（2）发射结正偏，集电结也正偏时，为）发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和饱和工作状态；工作状态；（3）发射结反偏，集电结也反偏时，为）发射结反偏，集电结也反偏时，为截止

13、截止工作状态；工作状态；（4）发射结反偏，集电结正偏时，为）发射结反偏，集电结正偏时，为反向反向工作状态。工作状态。v在放大电路中，主要应用其放大工作状态。在放大电路中，主要应用其放大工作状态。 v双极型晶体管的放大作用就用双极型晶体管的放大作用就用正向电流放大倍数正向电流放大倍数F来描述，来描述， F定义为：定义为：vv也称为共发射极电流放大系数，也称为共发射极电流放大系数，F远远大于远远大于1（通常大于（通常大于100）。）。v如果将发射极和集电极对换，从原理上讲没有本质上的不同。如果将发射极和集电极对换，从原理上讲没有本质上的不同。但由于晶体管的实际结构不对称，特别是在集成电路中，发但由

14、于晶体管的实际结构不对称，特别是在集成电路中，发射区嵌套在基区内，基区嵌套又在集电区内，发射结比集电射区嵌套在基区内，基区嵌套又在集电区内，发射结比集电结小得多，结小得多，反向电流放大倍数反向电流放大倍数R比比F小得多小得多，故这种工作状，故这种工作状态基本不用。态基本不用。BCFII2.5 MOS晶体管的基本结构与工作原理晶体管的基本结构与工作原理2.5.1MOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构v金属氧化物半导体场效应晶体管，简称为金属氧化物半导体场效应晶体管，简称为MOS器件器件vMOS是由是由导体、绝缘体导体、绝缘体与构成与构成MOS器件衬底的掺杂器件衬底的掺杂半导体半导体这这三层材料叠

15、在一起组成的，绝缘体介于导体和掺杂半导体之间。三层材料叠在一起组成的，绝缘体介于导体和掺杂半导体之间。vMOS的基本原理：在半导体靠近绝缘体界面感应出与原掺杂的基本原理：在半导体靠近绝缘体界面感应出与原掺杂类型相反的载流子，形成一条类型相反的载流子，形成一条导电沟道导电沟道，从而导通两侧的掺杂，从而导通两侧的掺杂半导体电极。半导体电极。v根据形成导电沟道的载流子的类型，根据形成导电沟道的载流子的类型，MOS管被分为管被分为NMOS和和PMOS。 NMOS和和PMOS结构示意图结构示意图2.5.2 MOS晶体管的基本工作原理晶体管的基本工作原理v以以NMOS晶体管为例，晶体管为例，如果没有任何外

16、加偏置电压，从漏到源是两个背对如果没有任何外加偏置电压，从漏到源是两个背对背的二极管结构背的二极管结构。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。在。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。在栅极下空穴。栅极下空穴。v如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，正的栅压将要排斥如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，正的栅压将要排斥栅下的栅下的P型衬底中的空穴而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅型衬底中的空穴而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅下的下的P型层将变成型层将变成N型层，即呈现型层，即呈现反型反型。N反型层与源漏两端的反型层与源漏两端的N型扩散层型扩

17、散层连通，就形成以电子为载流子的连通，就形成以电子为载流子的导电沟道导电沟道。v如果漏源之间有电位差，将有电流流过。如果漏源之间有电位差，将有电流流过。v如果加在栅上的正电压比较小，不足以引起沟道区反型，器件仍处在不导如果加在栅上的正电压比较小，不足以引起沟道区反型，器件仍处在不导通状态。引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为通状态。引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压阈值电压VT。2.5.3MOS晶体管性能分析晶体管性能分析v一个一个MOS管的正常导电特性管的正常导电特性可分为以下几个区域：可分为以下几个区域：（1）“截至截至”区区：沟道未形成；：沟道未形成；（2）“线性线

18、性”区区：弱反型区，：弱反型区，这时漏极电流随栅压线性增加；这时漏极电流随栅压线性增加；（3）“饱和饱和”区区：沟道强反型，：沟道强反型，漏极电流与漏极电压无关。漏极电流与漏极电压无关。MOS的电压电流特性曲线的电压电流特性曲线 v当漏极电压太高时，会发生称为当漏极电压太高时，会发生称为雪崩击穿或穿通雪崩击穿或穿通的的非正常导电情况。非正常导电情况。v描述描述NMOS器件在三个区域中性能的理想表达式为器件在三个区域中性能的理想表达式为dsTgsTgsNTgsdsdsdsTgsNTgsdsVVVVVKVVVVVVVKVVI0)(202)(0022截止区 线性区 饱和区 vKN是是NMOS晶体管的

19、晶体管的跨导系数跨导系数，KN与工艺参数及器件的几何尺寸与工艺参数及器件的几何尺寸有关，其关系为有关，其关系为 v各项结构参数如下图器件示意图所示各项结构参数如下图器件示意图所示)()(oxNLWKLWtKnMOS器件方程式中各几何项器件方程式中各几何项 2.5.4MOS器件的电压器件的电压-电流特性电流特性v线性区与饱和区之间的线性区与饱和区之间的分界线对应于条件分界线对应于条件Vds=VgsVTMOS的电压电流特性曲线的电压电流特性曲线 v从图上可以得到微分后得从图上可以得到微分后得线性区输出电导线性区输出电导 Tgsdsds0dslimVVKdVdIVNv饱和区电流与饱和区电流与Vds无

20、关，无关，类似电流源类似电流源 v跨导跨导gm表示输出电流表示输出电流Ids和输入电压和输入电压Vgs之间的关系，可以用之间的关系，可以用gm来衡量来衡量MOS器件的增益器件的增益 常数dsgsdsmVVIgv在线性区，跨导在线性区，跨导gm为为 dsN)(VK线性mgv在饱和区，跨导在饱和区，跨导gm为为 ）（饱和TgsN)(VVKmg2.6 金属半导体场效应晶体管金属半导体场效应晶体管MESFET v利用金属与半导体接触形成的肖特基结可以构造利用金属与半导体接触形成的肖特基结可以构造MESFET器件。器件。 MESFET器件用器件用GaAs和和InP基半导体材料构成。基半导体材料构成。Ga

21、As基基MESFETv工作原理工作原理对于耗尽型对于耗尽型MESFET，当栅压，当栅压VG为零，而源漏电压为零，而源漏电压VD很小时，栅很小时，栅下耗尽区并未延伸到下耗尽区并未延伸到N-GaAs下沿，器件处于导通状态，下沿，器件处于导通状态， 因此源因此源漏电流漏电流ID很小并随源漏电压线性变化。很小并随源漏电压线性变化。 当当VD增大时，靠近漏区的耗尽区先接触到半绝缘衬底，形成夹断。增大时，靠近漏区的耗尽区先接触到半绝缘衬底，形成夹断。这时的这时的VD称为饱和电压称为饱和电压VDsat 当当VG反偏而反偏而VD很小时，栅下耗尽区宽度在反偏增加时增宽，很小时，栅下耗尽区宽度在反偏增加时增宽，VD反反偏减小时变窄，偏减小时变窄，VD不变的情况下通过改变不变的情况下通过改变VD反偏而改变栅下反偏而改变栅下N-GaAs的耗尽区宽度，也就改变了的耗尽区宽度，也就改变了ID