第2章微电子概论ic制造材料

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1、第2章IC制造材料2.1集成电路材料2.2半导体基础知识2.3PN结与结型二极管2.4双极型晶体管基本结构与工作原理2.5MOS晶体管基本结构与工作原理2.1集成电路材料表2.1集成电路制造所应用到的材料分类集成电路虽然是导体、半导体和绝缘体三种材料有机组合形成的系统。但相对于其他系统，半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。集成电路通常是制作在半导体衬底材料之上的。同时，集成电路中的基本元件是依据半导体的特性构成的。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

2、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。最基本的材料最基本的三种材料：硅（Si，Silicon），砷化钾（GaAs，Galliumarsenide）和磷化铟（InP，Indiumphosphide）。材料

3、系统：以这些材料为衬底，可以做出复杂的材料系统，不同的固态器件(分立)和集成电路。2.1.1硅（Si）锗和硅都是半导体材料。上世纪六十年代刚有半导体器件时，都是用的锗（第一个transistor和第一个IC）材料，因为单晶锗的制备比硅要容易。锗材料电子迁移率高，适合制作低电压器件。但锗器件的高温特性差，而且不能制作MOS集成电路。所以目前最主要的半导体材料是硅。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。2.1.2砷化镓（GaAs）超高速：原因在于这些

4、材料具有更高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率。GaAs和其他III/IV族化合物器件高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率等特性为提高器件速度提供了可能。超高频：fT可达150GHzGaAsIC的三种有源器件：MESFET（金属-半导体场效应晶体管），HEMT（高电子迁移率晶体管）和HBT。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。基于GaAs和InP基的半导体材料已经发展得很成熟，广泛地应用于光通信、移动通讯、微波通讯的

5、领域。2.1.4绝缘材料SiO2、Si0N和Si3N4是IC系统中常用的几种绝缘材料。功能包括：（1） 充当离子注入及热扩散的掩膜。（2）作为生成器件表面的钝化层，以保护器件不受外界影响。（3）电隔离：器件之间、有源层及导线层之间的绝缘层；在MOS器件里，栅极与沟道之间的绝缘。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180nm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，

6、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。C=εS/4πkd2.1.5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，可形成欧姆接触或肖特基型接触。如果掺杂浓度足够高，隧道效应就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）。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。隧道效应：在粒子总能量低于势

7、垒的情况下，粒子能穿过势壁甚至穿透一定宽度的势垒而逃逸出来的现象称为。器件互连材料包括金属，合金，多晶硅，金属硅化物铝，铬，钛，钼(mu)，铊(ta)，钨等纯金属薄层在VLSI制造中正逐步引起人们的兴趣。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，高电导率，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。2.1.5金属材料铝（Al）在硅基VLSI技术中，由于铝几乎可满足金属连接的所有要求，所以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，金属连