集成电路设计（第4版）课件 2.1 集成电路材料.ppt

1第二章 IC制造材料结构与理论2.1 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2.5 MOS晶体管 2材料按导电性能可以分为导体、半导体和绝缘体三类。表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类2.1 集成电路材料 3半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用 1. 掺入杂质可改变半导体的电导率 2. 热敏效应：当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力将发生显著变化。 3. 光电效应：光照也可以改变半导体的电导率硅，砷化镓和磷化铟是最基本的三种半导体材料 42.1.1 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 52.1.2 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 工艺的三种有源器件: MESFET, HEMT 和 HBT 62.1.3 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 发出的激光波长范围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 72.1.4 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 82.1.5 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 9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。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 10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。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。因为铜的电阻率比铝的电阻率低, 以铜代铝成为了半导体技术发展的趋势。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。 11两层与多层金属布线IC系统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IC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。 122.1.6 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 W·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 W·cm。在MOS及双极器件中，多晶硅用来制作栅极、形成欧姆接触、基本连线、薄PN结的扩散源、高值电阻等。 13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。2.1.7 材料系统 14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)。SOI: 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，SOI器件的速度更快，功耗更低。