第2章微电子概论IC制造.ppt

第2章 IC制造材料 通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率。例如，在室温30℃时，在纯净锗中掺入亿分之一的杂质，电导率会增加几百倍。正是因为掺杂可控制半导体的电导率，才能利用它制造出各种不同的半导体器件。 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。利用这种热敏效应可制成热敏器件，另一方面热敏效应会使半导体的热稳定性下降，所以由半导体构成的电路中常采用温度补偿等措施。 光照也可改变半导体的电导率，通常称之为半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器等。 多种由半导体形成的结构中，当注入电流时，会发射出光，从而可制造出发光二极管和激光二极管。 最基本的材料 2.1.2 砷化镓（GaAs） 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。 2.1.4 绝缘材料 2.1.4 绝缘材料 随着连线的几何尺寸持续地缩小，需要低介电常数的层间绝缘介质，以减小连线间的寄生电容和串扰。对于250nm技术的产品，人们采用介电常数为3.6的SiOF介质材料；对于180 nm技术的产品，人们则采用介电常数小于3.0的介质材料。 另一方面，对大容量动态随机存储器（DRAM）的要求，推动了低漏电、高介电常数介质材料的发展。同时，高介电常数介质材料还可以在逻辑电路、混合信号电路中用于滤波电容、隔离电容和数模转换用电容的制造。 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形成器件间的互联线；纳米管+石墨烯 ③形成焊盘。 2.1.5 金属材料 铝（Al） 铝合金 铜(Cu） 因为铜的电阻率为1.7??/cm，比铝3.1??/cm的电阻率低，从而可以在相同条件下减少约40％的功耗，能轻易实现更快的主频，并能减小现有管芯的体积。今后，以铜代替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，并开始销售采用铜布线的400 MHz Power PC芯片。IBM公司为苹果公司的新型iBook提供经过特殊设计的铜工艺芯片，这种耗能很低的芯片可以使iBook能够用一块电池工作一整天。 0.18?m的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺。 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。其它较高的几层用于提高密度及方便自动化布线。 2.1.6 多晶硅 多晶硅与单晶硅都是硅原子的集合体。 且其特性都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 多晶硅被广泛用于电子工业。在MOS及双极器件中，多晶硅用于制作栅极、形成源极与漏极（双极器件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、高值电阻等。 多晶硅的制造技术 多层硅层可用溅射法，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。 注入法的电阻率约是它的10倍。杂质浓度为 1020cm-3。 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。 2.1.7 材料系统 半导体材料系统 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（激光二极管）。 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）。 在SOI衬底上，可以形成MOS和双极性晶体管。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。 晶 格 电子共有化 电子共有化与能带形成 能带的形成：晶体中电子共有化的结果，使得晶体内电子的能量状态不同于孤立原子中的电子，晶体内电子的