集成电路设计基础 ppt课件.ppt

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1、1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2.3PN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表2.1集成电路制造所应用到的材料分类10-22~10-14S·cm-1SiO2、SiON、Si3N4等绝缘体10-9~10-2S·cm-1硅、锗、砷化镓、磷化铟等半导体105S·cm-1铝、金、钨、铜等导体电导率材料分类2.1了解集成电路材料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

2、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GaAsIC的三种有源器件:MESFET,HEMT和HBT62.1.3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

3、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8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2.1.5金属材料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

4、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10IC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。11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

5、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。12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101000倍；通过金属之间或与Si的互相掺杂可以增强热稳定性。13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

6、,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400MHzPowerPC芯片.0.18m的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺.14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

7、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。15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GaAsIC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)16两层与多层金属布线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

8、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