IC制造材料结构与理论
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0.18m的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线 工艺.
2020/2/24
12
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。
而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（受到最大掺杂浓度的限制）。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。
2020/2/24
2
2.1.1 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） P型、N型MOS场效应管 双极 CMOS（BiCMOS）
价格低廉，占领了90％的 IC市场
2020/2/24
3
2.1.2 砷化镓 (GaAs)
能工作在超高速超高频，其原因在于这些材 料具有更高的载流子迁移率，和近乎半绝缘 的电阻率 GaAs的优点: fT可达150GHz/可制作发光器件 /工作在更高的温度/更好的抗辐射性能 GaAs IC 的三种有源器件: MESFET, HEMT 和 HBT
2020/2/24
4
2.1.3 磷化铟 (InP)
能工作在超高速超高频 三种有源器件: MESFET, HEMT和HBT 广泛应用于光纤通信系统中
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
2020/2/24
5
2.1.4 绝缘材料
SiO2 、SiON和Si3N4是 IC 系统中常用的几种 绝缘材料 功能包括： 充当离子注入及热扩散的掩膜 器件表面的钝化层 电隔离
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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。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；
2020/2/24
9Biblioteka Baidu
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。
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)。
器件互连材料包括
金属，合金，多晶硅，金属硅化物
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8
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，栅及电容、电感、传输线的电极等。
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6
2.1.5 金属材料
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
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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形成肖 特基型接触，构成肖特基二极管。
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
高的几层用于提高密度及方便自动化布线。
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15
0.35um CMOS工艺的多层互联线
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IC设计与金属布线
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。 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。
2.1 了解集成电路材料
表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类
分类
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
10-9~10-2 S·cm-1
绝 缘 体 SiO2、SiON、Si3N4等
10-22~10-14 S·cm-1
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1
半导体材料在集成电路的制造中起着根本性 的作用 掺入杂质可改变电导率/热敏效应/光电效应 表2.2 半导体材料的重要物理特性 硅，砷化镓和磷化铟是最基本的三种半导体 材料
通过金属之间或与Si的互相掺杂可以增强热稳定性。
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铜(Cu)
因 为 铜 的 电 阻 率 为 1 . 7 cm, 比 铝 3 . 1 cm的电阻率低, 今后,以铜代铝将成为 半导体技术发展的趋势.
IBM公司最早推出铜布线的CMOS工艺, 实现 了400MHz Power PC芯片.
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2.1.6 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。
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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，即芯片上传输线 和电感有更高的Q值。 在大部分GaAs IC工艺中有一个标准的工序： 即把第一层金属布线与形成肖特基势垒与栅 极形成结合起来。（MESFET)
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两层与多层金属布线
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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。
而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（受到最大掺杂浓度的限制）。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。
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2.1.1 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） P型、N型MOS场效应管 双极 CMOS（BiCMOS）
价格低廉，占领了90％的 IC市场
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2.1.2 砷化镓 (GaAs)
能工作在超高速超高频，其原因在于这些材 料具有更高的载流子迁移率，和近乎半绝缘 的电阻率 GaAs的优点: fT可达150GHz/可制作发光器件 /工作在更高的温度/更好的抗辐射性能 GaAs IC 的三种有源器件: MESFET, HEMT 和 HBT
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2.1.3 磷化铟 (InP)
能工作在超高速超高频 三种有源器件: MESFET, HEMT和HBT 广泛应用于光纤通信系统中
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
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2.1.4 绝缘材料
SiO2 、SiON和Si3N4是 IC 系统中常用的几种 绝缘材料 功能包括： 充当离子注入及热扩散的掩膜 器件表面的钝化层 电隔离
2020/2/24
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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。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；
2020/2/24
9Biblioteka Baidu
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。
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)。
器件互连材料包括
金属，合金，多晶硅，金属硅化物
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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，栅及电容、电感、传输线的电极等。
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2.1.5 金属材料
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
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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形成肖 特基型接触，构成肖特基二极管。
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
高的几层用于提高密度及方便自动化布线。
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0.35um CMOS工艺的多层互联线
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IC设计与金属布线
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。 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。
2.1 了解集成电路材料
表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类
分类
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
10-9~10-2 S·cm-1
绝 缘 体 SiO2、SiON、Si3N4等
10-22~10-14 S·cm-1
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半导体材料在集成电路的制造中起着根本性 的作用 掺入杂质可改变电导率/热敏效应/光电效应 表2.2 半导体材料的重要物理特性 硅，砷化镓和磷化铟是最基本的三种半导体 材料
通过金属之间或与Si的互相掺杂可以增强热稳定性。
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铜(Cu)
因 为 铜 的 电 阻 率 为 1 . 7 cm, 比 铝 3 . 1 cm的电阻率低, 今后,以铜代铝将成为 半导体技术发展的趋势.
IBM公司最早推出铜布线的CMOS工艺, 实现 了400MHz Power PC芯片.
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2.1.6 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。
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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，即芯片上传输线 和电感有更高的Q值。 在大部分GaAs IC工艺中有一个标准的工序： 即把第一层金属布线与形成肖特基势垒与栅 极形成结合起来。（MESFET)
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两层与多层金属布线