分类材料电导率导体铝、金、钨、铜等105S ·cm -1第二章IC 制造材料、结构与理论 2.1 集成电路材料1半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟等10-9~102S ·cm -1绝缘体SiO 2、SiON 、Si 3N 4等10-22~10-14S ·cm -1IC 的衬底材料----构建复杂的材料系统、固态器件、集成电路IC 的基本元件是依据半导体特性构成的半导体特性：掺入杂质可改变电导率---制造不同的半导体材料热敏效应---热敏器件、热稳定性下降光电效应---光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器注入电流----发光，可制造发光二极管和激光二极管。

22.1.1 硅(Si)⏹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 ）3P 型、N 型MOS 场效应管双极CMOS （BiCMOS ）⏹来源丰富、技术成熟、集成度高、晶圆尺寸大、芯片速度快、价格低廉⏹占领了90％的IC 市场2.1.2 砷化镓(GaAs)⏹具有更高的载流子迁移率，和近乎半绝缘的电阻率能工作在超高速超高频4⏹GaAs 的优点:电子迁移率高，f T 达150GHz ，毫米波、超高速电路导带价带位置—电子空穴直接复合--可制作发光器件LED\LD\OEIC—光纤数字传输禁带宽度—载流子密度低--更高的温度/更好的抗辐射性能兼顾速度与功耗，在微米毫米波范围内GaAs IC 处于主导地位⏹GaAs IC 的三种有源器件: MESFET, HEMT 和HBT2.1.3磷化铟(InP)⏹能工作在超高速超高频⏹三种有源器件: MESFET, HEMT和HBT⏹电子空穴直接复合—发光器件、OEIC⏹GaInAsP/InP系统发出激光波长0.92-1.65um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，广泛应用于光纤通信系统中。

⏹技术不够成熟52.1.4 绝缘材料⏹SiO 2、SiON 、Si 3N 4⏹功能包括：IC 器件之间、有源层与导线层之间------电隔离MOS 器件栅极与沟道之间的绝缘层6充当离子注入及热扩散的掩膜器件表面的钝化层，保护器件不受外界影响⏹低介电常数的层间绝缘介质，减小连线间的寄生电容和串扰。

250nm---ε=3.6介质材料180 nm------ε<3.0介质材料⏹大容量DRAM ，推动了低漏电、高介电常数介质材料的发展。

ε>25 ε>100三个功能：⏹形成器件本身的接触线⏹形成器件间的互连线⏹形成焊盘⏹ 2.1.5 金属材料7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，可形成肖特基型接触或欧姆接触如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面，半导体能带弯曲，形成肖特基型势垒，导致大的界面电阻，形成肖特基接触。

如果掺杂浓度足够高，以致于隧道效应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)。

IC制造用金属材料⏹铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯金属和合金薄层在VLSI制造中起着重要作用。

这是由于这些金属及合金有着独特的属性。

如对Si及绝缘材料有良好的附着力，高导电率，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。

8铝（Al）⏹在Si基VLSI技术中，由于Al几乎可满足金属连接的所有要求，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，金属化区域的宽度也越来越小，故连线电阻越来越高，其RC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方法。

9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、增大电子迁移率、增强扩散屏蔽、改进附着特性等。

或用于形成特定的肖特基势垒。

⏹稍微在Al中多加1wt%的Si即可使Al导线上的缺陷减至最少；在Al中加入少量Cu，则可使电子迁移率提高10 1000倍；通过金属之间或与Si的互相掺杂可以增强热稳定性。

10铜(Cu)⏹铜的电阻率为1.7 mΩ⋅cm，比铝3.1 mΩ⋅cm的电阻率低, 同样条件下，可减小40%的功耗。

更易于实现更快的主频，并减小现有管芯的体积。

以铜代铝用于集成电路晶体管间的互连将成为半导体技术发展的趋势。

⏹IBM公司解决了铜与硅结合的难题，最早推出铜布线的CMOS工艺, 实现了400MHz Power PC芯片。

铜工艺芯片耗能也更低。

⏹0.18m m的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺。

11金与金合金⏹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。

故对形成金属层所使用的金属有一定的限制。

⏹GaAs、InP衬底的半绝缘性质及化学计量法是挑选金属时的附加考虑因素。

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。

这个限制促使人们在GaAs及InP芯片中采用合金（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。

⏹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，即芯片上传输线和电感有更高的Q值。

12金属硅化物⏹金属硅化物具有类似金属的电阻率、化学稳定性、耐高温性，故在制作低阻栅极、导线、欧姆接触及肖特基势垒接触中引起人们的关注。

⏹铂、钯、钛、钼、铊、钨的硅化物被用于制作基本单元门及VLSI电路连线。

两层与多层金属布线⏹金属层数也是工艺中的一个重要特性。

⏹在IC技术早期，采用的是单层布线，网络的交叉线问题很难解决。

⏹现在几乎所有的IC技术都是至少采用两层金属布线。

⏹很多VLSI采用3-4层金属，以提高晶体管密度及自动布线程度。

⏹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。

14⏹2层布线：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15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晶体管密度及方便自动化布线。

0.35um CMOS 工艺之后将绝缘层腐蚀掉以后多层金属构成的“立交桥”结构的互联线2.1.6 多晶硅⏹多晶硅与单晶硅都是硅原子的集合体，性质相似。

⏹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 Ω·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 Ω·cm，用于制作MOS栅极及欧姆接触。

⏹多晶硅被广泛用于电子工业。

在MOS及双极器件中，多晶硅用制作栅极、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。

16多晶硅的制造技术⏹多晶硅层可用溅射法，蒸发或CVD 法(化学气象沉积，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。

20-317注入法的杂质浓度为10cm ，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。

⏹在多晶硅沉淀过程中，加入定量的氮氧化合物可使其部分氧化，形成半绝缘层，可对器件进行钝化。

多晶硅的特性随着氧杂质的增多而改变，甚至完全转换为SiO 2。

掺入杂质氮，直至完全变为氮化硅。

2.1.7 材料系统⏹半导体衬底可由单原子材料（Si\Ge）或化合物（GaAs\InP）制成。

在结构简单的材料上制作各种器件及IC的工艺也较为简单。

但他们的性能（电流增益、晶体管速度、激光二极管效率）会受到限制。

⏹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。

⏹材料系统与掺杂过的材料之间的区别:外来材料的种类与数量掺杂材料中，掺杂原子很少，作为杂质，作用只是改变载流子类型。

在材料系统中，外来原子的比率较高（几到几十个百分点）。

导入其它材料层的目的是形成特定的能带，改变载流子的传输性能。

所以，材料系统的研究与应用也被称为能带工程。

⏹按照导电性质，分为半导体材料和半导体/绝缘体两种材料系统。

181)半导体材料系统⏹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。

⏹层结构可以通过生长的方式形成，也可以通过粘接的方式形成。

⏹应用：制作异质结双极型晶体管HBT（宽带隙半导体材料制作发射区，以窄带隙材料制作基区，eg:GaAs/AlGaAs）高电子迁移率晶体管HEMT(在具有较低禁带的未掺杂的半导体材料中形成一种具有二维电子气的材料系统)高性能的LED及LD192)半导体/绝缘体材料系统⏹半导体与绝缘体相结合的材料系统。

典型代表是绝缘体上硅(SOI: Silicon On Insulator )。

采用注入氧隔离和晶片粘接两种技术制造。

⏹20SOI: 由于器件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。

⏹在SOI 衬底上可以形成MOS 和双极型晶体管。

2.2.1 半导体的晶体结构⏹固体材料分为两类：晶体（单晶、多晶；硅、锗）和非晶体（玻璃、橡胶）。

从外观看晶体有一定的几何外形，非晶体没有一定的形状。

2.2 半导体基础知识21⏹硅晶体结构特点是每个原子周围都有四个最邻近的原子，组成正四面体结构。

这四个原子分别处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子共有，形成共价键。

这样，每个原子和周围四个原子组成四个共价键。

上述四面体累积起来就形成了金刚石结构。

2.2.2 本征半导体与杂质半导体⏹本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

⏹在热力学温度零度和没有外界能量激发时，价电子受共价键的束缚，晶体中不存在自由运动的电子，半导体是不能导电的。

⏹温度升高或者光照，某些共价键中的价电子22获得足够的能量，足以挣脱共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，在共价键中留下等量的带正电的空穴。

热激发产生的这种跃迁为本征激发。