IC制造材料结构与理论

固体材料分为两类：晶体和非晶体。从外观 看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，而玻璃、橡胶等都是非晶体。
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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。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， 本征激发所产生的自由电子和空穴数目是相同 的。在外加电场作用下，电子和空穴的运动方 向相反，但由于电子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 电子和空穴两种漂移电流。
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杂质半导体
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。
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P型半导体
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个电子，产 生1个空位。
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2.1 了解集成电路材料 2.2 半导体基础知识
2.3 PN结与结型二极管
2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理 2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理
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2.2.1 半导体的晶体结构
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。
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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。
非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的，电阻 率为300 ·cm 。
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。
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
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。
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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
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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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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
通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控 制在500—0.005 ·cm 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（例）。
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空穴为多数载流子，电子为少数载流子。
3价杂质的原子很容易接受价电子，称为 “受主杂质”。
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N型半导体
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个电子。
电子为多数载流子，空穴为少数载流子。
在半导体内产生多余的电子，称为“施主杂 质”。
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
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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(GaAs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。 制作高电子迁移率晶体管HEMT。 制作高性能的LED及LD。
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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Biblioteka Baidu考虑的方法。
而在VLSI工艺中被优先采用。
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2.1.7 材料系统
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 : 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
图2.2 PN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。
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扩散电流
漂移电流
图2.3 平衡状态下的 PN结
在耗尽区中正负离子形成了一个电场ε，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运动的 继续进行，另一方面，将产生漂移运动，即进入空间电荷区 的空穴在内建电场ε作用下向P区漂移，自由电子向N区漂移 。漂移运动和扩散运动方向相反。动态平衡时，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。
多晶硅的制造技术
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
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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
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2.1.1 硅 (Si)
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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0.18m的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线 工艺.
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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。
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
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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半导体/绝缘体材料系统
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)。
注入氧隔离（SIMOX）和晶片粘接两种SOI 制造技术（P.21）
SOI: 由于在器件的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。
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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
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IC设计基础
陈莹梅
射频与光电集成电路研究所 2004年
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第二章 IC制造材料结构与理论
2.1 了解集成电路材料 2.2 半导体基础知识
2.3 PN结与结型二极管
2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理 2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理
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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；
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2.1 了解集成电路材料 2.2 半导体基础知识 2.3 PN结与结型二极管 2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理 2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理
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2.3.1 PN结的扩散与漂移
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
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