ch02ic制造材料結(jié)構(gòu)與理論

1、IC第二章2.12.22.32.42.5集成電路材料半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)PN結(jié)與結(jié)型二極管雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2009/7/1512.1集成電路材料表2.1集成電路所應(yīng)用到的材料2009/7/152材 料電 導(dǎo) 率導(dǎo) 體鋁、金、鎢、銅等105 S·cm-1半 導(dǎo) 體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等10-910-2 S·cm-1絕 緣 體SiO2、SiON、Si3N4等10-2210-14S·cm-1n 半導(dǎo)體材料在集成電路的用摻入雜質(zhì)可改變電導(dǎo)率/熱敏效應(yīng)/光電效應(yīng)中起著根本性的作表2.2半導(dǎo)體材料的重要物理特性n 硅，砷化鎵和磷化銦是最

2、基本的三種半導(dǎo)體材料2009/7/1532.1.1n 基于硅的多種工藝技術(shù)： 雙極型晶體管（BJT）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（J-FET）P型、N型MOS場(chǎng)效應(yīng)管雙極CMOS（BiCMOS）硅 (Si)n 價(jià)格低廉，占領(lǐng)了90的 IC市場(chǎng)2009/7/1542.1.2砷化鎵 (GaAs)n 能工作在超高速超高頻，其在于這些材料具有更高的載流子遷移率，和近乎半絕緣的電阻率n GaAs的優(yōu)點(diǎn): fT可達(dá)150GHz/可制作發(fā)光器件/工作在更高的溫度/更抗輻射性能n GaAs IC 的三種有源器件: MESFET, HEMT 和HBT2009/7/1552.1.3磷化銦 (InP)n 能工作在超高速超高頻n 三

3、種有源器件: MESFET, HEMT和HBTn 廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中光纖的最小色散（1.3um）和最小衰減覆蓋了（1.55um）的兩個(gè)窗口2009/7/1562.1.4絕緣材料n SiO2 、SiON和Si3N4是 IC 系統(tǒng)中常用的幾種絕緣材料功能：n 充當(dāng)離子注入及熱擴(kuò)散的掩膜n 器件表面的鈍化層n 電2009/7/1572.1.5金屬材料n 金屬材料有三個(gè)功能：1. 形成器件本身的接觸線2. 形成器件間的互連線3. 形成焊盤(pán)2009/7/158n 半導(dǎo)體表面制作了后，根據(jù)金屬的種類及半導(dǎo)體摻雜濃度的不同，可形成型接觸或歐姆接觸 如果摻雜濃度較低，半導(dǎo)體結(jié)合面形成型接觸， 如果摻雜濃

4、度足夠高，以致以抵消勢(shì)壘的影響，那么就形成了歐姆接觸(雙向低歐姆電阻值)。n 器件互連材料金屬，合金，多晶硅，金屬硅化物2009/7/159IC用金屬材料鋁，鉻，鈦，鉬，鉈，鎢等純合金薄層在VLSI中起著重要作用。這是由于這些金屬及合金有著獨(dú)特的屬性。如對(duì)Si及絕緣材料有良附著力，高導(dǎo)電率，可塑性，容易部連線相連。，并容易與外純金屬薄層用于制作與工作區(qū)的連線，器件間的互聯(lián)線，柵及電容、電感、傳輸線的電極等。2009/7/1510鋁（Al）在Si基VLSI技術(shù)中，由于Al幾乎可滿足接的所有要求，被廣泛用于制作歐姆接觸及導(dǎo)線。隨著器件的日益減小，金屬化區(qū)域的寬度也越來(lái)越小，故連線電阻越來(lái)越高，其R

5、C常數(shù)是限制電路速度的重要因素。要減小連線電阻，采用低電阻率的金屬或合金是一個(gè)值得優(yōu)先考慮的。2009/7/1511鋁合金在純金屬不能滿足一些重要的電學(xué)參數(shù)、達(dá)不到可靠度的情況下，IC金屬化工藝中采用合金。硅鋁、鋁銅、鋁硅銅等合金已用于減小峰值、增大遷移率、增強(qiáng)擴(kuò)散，改進(jìn)附著特性等。或用于形成特定的勢(shì)壘。例如,稍微在Al中多加1wt%的Si即可使Al導(dǎo)線上的缺陷減至最少，而在Al中加入少量Cu，則可使電子遷移率提高101000倍；性。通過(guò)金屬之間或與Si的互相摻雜可以增強(qiáng)熱2009/7/1512銅(Cu)因?yàn)殂~的電阻率為1.7 mW×cm,比鋁3.1mW×cm的電阻率低,展

6、的趨勢(shì).今后,以銅代鋁將成為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)公司最早推出銅布線的CMOS工藝,實(shí)現(xiàn)了400MHzPowerPC.0.18mm的CMOS工藝中幾乎都引入了銅連線工藝.2009/7/1513金與金合金n 由于GaAs與III/V器件及IC被應(yīng)用于對(duì)速度與可靠性要求很高的行業(yè)，如電腦、通訊、軍事、航空等。故對(duì)形成的金屬有一定的限制。n 而GaAs、InP襯底的半絕緣性質(zhì)及化學(xué)計(jì)量法是挑選所使用附加考慮因素。由于離子注入技術(shù)的最大摻雜濃度為3·1018cm-3，故不能用金屬與高摻雜的半導(dǎo)體（>3·1019cm-3）形成歐姆接觸（受到最大摻雜濃度的限制）。這個(gè)限制促使人們?cè)贕aAs

7、及InP中采用合金（摻雜濃度低）作為接觸和連接材料。在制作N型GaAs歐姆接觸時(shí)采用金與鍺(合金)形成的低共熔混合物。所以第一第二層金屬必須和金鍺歐姆接觸相容，因此有許多金 合金系統(tǒng)得到應(yīng)用。2009/7/1514金與金合金(續(xù))基于金的金屬化工藝和半絕緣襯底及多層布線系統(tǒng)的組合有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即更高的Q值。上傳輸線和電感有在大部分GaAsIC工藝中有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工序：即把第一層金屬布線與形成合起來(lái)。（MESFET)勢(shì)壘與柵極形成結(jié)2009/7/1515兩層與多層金屬布線VLSI至少采用兩層金屬布線。第一層金屬主要用于器件各個(gè)極的接觸點(diǎn)及器件間的部分連線，這層金屬通常較薄，較窄，間距較小。第二層主要

8、用于器件間及器件與焊盤(pán)間的互聯(lián)，并形成傳輸線。寄生電容大部分由兩層金屬及其間的層形成。多數(shù)VLSI工藝中使用3層以上的金屬。最上面一層通常用于供電及形成牢固的接地。其它較高的幾層用于提高密度及方便自動(dòng)化布線。2009/7/15160.35um CMOS工藝的多層互聯(lián)線2009/7/1517IC設(shè)計(jì)與金屬布線n 多數(shù)情況下，IC特別是VLSI版圖設(shè)計(jì)者的基本任務(wù)是完成金屬布線。因?yàn)榛酒骷渌鲗拥陌鎴D通常已經(jīng)事先做好，存放在元件庫(kù)中。門(mén)陣列電路中，單元電路內(nèi)的布線也已經(jīng)完成。n 對(duì)于電路設(shè)計(jì)者而言，布線的技巧包含合理使用，減少寄生電容或在可能的情況下合理利用寄生電容等。2009/7/15182

9、.1.6多晶硅多晶硅與單晶硅都是硅原子的集合體。多晶硅特性隨結(jié)晶度與雜質(zhì)原子而改變。非摻雜的多晶硅薄層實(shí)質(zhì)上是半絕緣的，電阻率為300 W·cm 。通過(guò)不同雜質(zhì)的組合，多晶硅的電阻率可被5000.005 W·cm在工業(yè)。在MOS及雙極器件中，多多晶硅被廣泛用于晶硅用制作柵極、形成源極與漏極（或雙極器件的基區(qū)與發(fā)射區(qū)）的歐姆接觸、基本連線、薄PN結(jié)的擴(kuò)散源、高值電阻等（例）。2009/7/1519多晶硅的技術(shù)多晶硅層可用濺射法，蒸發(fā)或CVD法(一種外延生長(zhǎng)技術(shù)）沉淀。多晶硅可用擴(kuò)散法、注入法摻雜，也可在沉淀多晶硅的同時(shí)通入雜質(zhì)氣體（In-Situ法）來(lái)?yè)诫s。= 擴(kuò)散法形成的雜

10、質(zhì)濃度很高（>=1021cm-3），故電阻率很小。= 注入法的雜質(zhì)濃度為 1020cm-3，電阻率約是它的10倍。= 而In-Situ法的濃度為1020-1021cm-3。三種摻雜工藝中，后兩種由于可在較低的工藝溫度下進(jìn)行而在VLSI工藝中被優(yōu)先采用。2009/7/15202.1.7材料系統(tǒng)n 材料系統(tǒng)指的是在由一些基本材料，如Si, GaAs或InP制成的襯底上或襯底內(nèi)，用其它物質(zhì)再生成一層或幾層材料。n 材料系統(tǒng)與摻雜過(guò)的材料之間的區(qū)別 :在摻雜材料中, 摻雜原子很少在材料系統(tǒng)中,外來(lái)原子的比率較高2009/7/1521半導(dǎo)體材料系統(tǒng)半導(dǎo)體材料系統(tǒng)是指不同質(zhì)（異質(zhì)）的幾種半導(dǎo)體(Ga

11、As與AlGaAs, InP與InGaAs和Si與SiGe 等)組成的層結(jié)構(gòu)。應(yīng)用 :制作異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管HBT。遷移率晶體管HEMT。制作高制作高性能的LED及LD。2009/7/1522半導(dǎo)體/絕緣體材料系統(tǒng)n 半導(dǎo)體/絕緣體材料系統(tǒng)是半導(dǎo)體與絕緣體相結(jié) 合的材料系統(tǒng)。其典型代表是絕緣體上硅(SOI: Silicon On Insulator)。n 注入氧（SIMOX）和晶片粘接兩種SOI技術(shù)（P.21）n SOI: 由于在器件的有源層和襯底之間的層厚，電極與襯底之間的寄生電容大大的減少。器件的速度更快，功率更低。2009/7/15232.12.22.32.42.5集成電路材料半導(dǎo)體基礎(chǔ)

12、知識(shí)PN結(jié)與結(jié)型二極管雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2009/7/15242.2.1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)n 固體材料分為兩類：晶體和非晶體。從外晶體有一定的幾何外形，非晶體沒(méi)有一定的形狀。用來(lái)制作集成電路的硅、鍺等都是晶體，而、橡膠等都是非晶體。2009/7/15252.2.2本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體n 本征半導(dǎo)體是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。但是，當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高（例如室溫300K）或受到光照等外界因素的影響時(shí)，本征激發(fā)所產(chǎn)生的加電場(chǎng)作用下，和空穴數(shù)目是相同的。在外和空穴的方向相反，但由于和空穴所帶電荷相反，因而形成的電流是相加的，即順著電場(chǎng)方向形成漂移電

13、流。和空穴兩種2009/7/1526雜質(zhì)半導(dǎo)體n 根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。2009/7/1527P型半導(dǎo)體n 摻入少量的3價(jià)元素，如硼、鋁或銦，有3個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少1個(gè)，產(chǎn)生1個(gè)空位。n 空穴為多數(shù)載流子，為少數(shù)載流子。n 3價(jià)雜質(zhì)的原子很容易接受價(jià)質(zhì)”。，稱為“受主雜2009/7/1528N型半導(dǎo)體n 摻入少量的5價(jià)元素，如磷、砷或銻，有5個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵時(shí)，多余1個(gè)。為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。n 在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生多余的，稱為“施主雜質(zhì)”。2009/7/15292.12.22.32.42.5了解集成電路材料半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)PN結(jié)與結(jié)

14、型二極管雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2009/7/15302.3.1PN結(jié)的擴(kuò)散與漂移圖2.2PN結(jié)的形成由于兩種半導(dǎo)體內(nèi)帶電粒子的正、負(fù)電荷相等，所以半導(dǎo)體內(nèi)呈電中性。2009/7/1531擴(kuò)散n 由于PN結(jié)交界面兩邊的載流子濃度有很大的差別，載流子就要從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散：P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)中留下帶負(fù)電荷的受主雜質(zhì)離子；而N區(qū)中的向P區(qū)擴(kuò)散，在N區(qū)中留下帶正電荷的施主雜質(zhì)離子。在緊靠接觸面兩邊形成了數(shù)值相等、符號(hào)相反的一層很薄的空間電荷區(qū)，稱為耗盡層，這就是PN結(jié)。32擴(kuò)散電流圖2.3 平衡狀態(tài)下的PN結(jié)擴(kuò)散：濃度差漂移：電場(chǎng)漂移電流

15、在耗盡區(qū)中正負(fù)離子形成了一個(gè)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)的。這個(gè)電場(chǎng)一方面阻止擴(kuò)散的繼續(xù)進(jìn)行，另一方面，將產(chǎn)生漂移電場(chǎng)作用下向P區(qū)漂移，即進(jìn)入空間電荷區(qū)的空穴在內(nèi)建向N區(qū)漂移。漂移和擴(kuò)散方向相態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等、方向相反，流過(guò)PN結(jié)的總電流為零。2009/7/15332.3.2PN結(jié)型二極管(a)(b)(c)圖2.4 PN結(jié)二極管原理性結(jié)構(gòu)(a) 符號(hào)(b)與I-V特性曲線(c)2009/7/1534PN結(jié)電學(xué)特性n 具有單向?qū)щ娦?，即正向外加電壓作用下，電流呈指?shù)規(guī)律急劇增加；n 在反向電壓作用下，最多只有一個(gè)很小的反向電流流通。2009/7/15352.3

16、.3結(jié)二極管圖2.5金屬與半導(dǎo)體接觸金屬與摻雜半導(dǎo)體接觸形成的二極管的工作原理基于GaAs和InP的MESFET和HEMT器件中，其金屬柵極與溝道材料之間形成的結(jié)就屬于常至少包含柵-源和柵-漏兩個(gè)結(jié)。因此，它們的等效電路中通結(jié)二極管。2009/7/15362.3.4n 在半導(dǎo)體器件與集成電路接觸過(guò)程中，半導(dǎo)體元器件引出電極與半導(dǎo)體材料的接觸也是一種金屬-半導(dǎo)體結(jié)。但是我們希望這些結(jié)具有雙向低歐姆電阻值的導(dǎo)電特性，也就是說(shuō)，這些結(jié)應(yīng)當(dāng)是接觸，或者說(shuō)，這里不應(yīng)阻的“結(jié)”。工程中，這種歐姆接觸通過(guò)對(duì)接觸擋載流子區(qū)半導(dǎo)體的重?fù)诫s來(lái)實(shí)現(xiàn)。理論根據(jù)是：通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料重?fù)诫s，使集中于半導(dǎo)體一側(cè)的結(jié)（）變得

17、如此之薄，以至于載有更大量的以容易地利用量子隧穿效應(yīng)相對(duì)地傳輸。2009/7/15372.12.22.32.42.5集成電路材料半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)PN結(jié)與結(jié)型二極管雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2009/7/15382.4 雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理n 由于晶體管有兩個(gè)PN結(jié)，所以它有四種不同的運(yùn)用狀態(tài)。（1） 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時(shí)，為放大工作狀態(tài)；（2） 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏時(shí)，為飽和工作狀態(tài)；（3） 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反偏時(shí)，為截止工作狀態(tài)；（4） 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏時(shí)，為反向工作狀態(tài)。2009/7/1539電流放大作用發(fā)射結(jié)的注入基區(qū)中的輸運(yùn)與

18、復(fù)合和集電區(qū)的收集電流雙極型晶體管的放大作用就用正向電流放大倍數(shù)F來(lái)描述,F定義為：F =IC/IB2009/7/15402.5 MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理圖2.8MOS管的物理結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)2009/7/1541n 工作原理：如果沒(méi)有任何外加偏置電壓，這時(shí)， 從漏到源是兩個(gè)背對(duì)背的二極管。它們之間所能 流過(guò)的電流就是二極管的反向漏電流。在柵電極 下沒(méi)有導(dǎo)電溝道形成。如果把源漏和襯底接地， 在柵上加一足夠高的正電壓， 從靜電學(xué)的觀點(diǎn)看，這一正的柵電壓將要排斥柵下的P型襯底中的可動(dòng)的空穴電荷而吸引。在表面聚集到一定濃度時(shí)，柵下的P型層將變成N型層，即呈現(xiàn)反型。N反型層與源漏兩端的N型擴(kuò)散層

19、連通，就形成以為載流子的導(dǎo)電溝道。2009/7/1542閾值電壓 VTn 引起溝道區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)表面反型的最小柵電壓，稱為閾值電壓VT。n 往往用離子注入技術(shù)改變溝道區(qū)的摻雜濃度，從而改變閾值電壓。2009/7/1543改變閾值電壓n 對(duì)NMOS晶體管而言，注入P型雜質(zhì)，將使閾值電壓增加。反之，注入N型雜質(zhì)將使閾值電壓降低。n 如果注入劑量足夠大，可使器件溝道區(qū)反型變成N 型的。這時(shí)，要在柵上加負(fù)電壓，才能減少溝道中濃度，或消除溝道，使器件截止。在這種情況下，閾值電壓變成負(fù)的電壓，稱其為夾斷電壓。2009/7/1544n 根據(jù)閾值電壓不同，常把MOS器件分成增強(qiáng)型 和耗盡型兩種器件。對(duì)于N溝MOS器件而言，將 閾值電壓VT0的器件稱為增強(qiáng)型器件，閾值電 壓VT0的器件，稱為耗盡型器件。n 在CMOS 電路里，全部采用增強(qiáng)型的NMOS 和PMOS。2009/7/1545一、三個(gè)區(qū)域圖2.9 (a) Vgs>VT, Vds=0V (b) Vgs>VT, Vds<Vgs-VT溝道