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1、分类分类材料材料电导率电导率 导体导体铝铝 金金 钨钨 铜等铜等105S cm 1 第二章第二章 IC制造材料制造材料 结构与理论结构与理论 2 1 集成电路材料集成电路材料 1 半导体半导体 硅硅 锗锗 砷化镓砷化镓 磷化铟磷化铟等等 10 9 102S cm 1 绝缘体绝缘体SiO2 SiON Si3N4等等10 22 10 14S cm 1 IC的衬底材料的衬底材料 构建复杂的材料系统构建复杂的材料系统 固态器件固态器件 集成电路集成电路 IC的基本元件是依据半导体特性构成的的基本元件是依据半导体特性构成的 半导体特性半导体特性 掺入杂质可改变掺入杂质可改变电导率电导率 制造不同的半导体
2、材料制造不同的半导体材料 热敏效应热敏效应 热敏器件热敏器件 热稳定性下降热稳定性下降 光电效应光电效应 光敏电阻光敏电阻 光电晶体管光电晶体管 光电耦合器光电耦合器 注入注入电流电流 发光发光 可制造发光二极管和激光二极管可制造发光二极管和激光二极管 2 2 1 1 硅硅 Si 基于硅的多种工艺技术基于硅的多种工艺技术 双极型晶体管双极型晶体管 BJT 结型场效应管结型场效应管 J FET P型型 N型型MOS场效应管场效应管 3 P型型 N型型MOS场效应管场效应管 双极双极 CMOS BiCMOS 来源丰富来源丰富 技术成熟技术成熟 集成度高集成度高 晶圆尺寸大晶圆尺寸大 芯片速度快芯片
3、速度快 价格低廉价格低廉 占领了占领了90 的的 IC市场市场 2 1 2 砷化镓砷化镓 GaAs 具有更高的载流子迁移率具有更高的载流子迁移率 和近乎半绝缘的电阻率和近乎半绝缘的电阻率 能工作在能工作在超高速超高频超高速超高频 GaAs的优点的优点 4 的优点的优点 电子迁移率高电子迁移率高 fT达达150GHz 毫米波毫米波 超高速电路超高速电路 导带价带位置导带价带位置 电子空穴直接复合电子空穴直接复合 可制作发光器件可制作发光器件LED LD OEIC 光纤数字传输光纤数字传输 禁带宽度禁带宽度 载流子密度低载流子密度低 更高的温度更高的温度 更好的抗辐射性能更好的抗辐射性能 兼顾速度
4、与功耗兼顾速度与功耗 在微米毫米波范围内在微米毫米波范围内GaAs IC处于主导地位处于主导地位 GaAs IC 的三种有源器件的三种有源器件 MESFET HEMT 和和 HBT 2 1 3磷化铟磷化铟 InP 能工作在超高速超高频能工作在超高速超高频 三种有源器件三种有源器件 MESFET HEMT和和HBT 电子空穴直接复合电子空穴直接复合 发光器件发光器件 OEIC 5 电子空穴直接复合电子空穴直接复合发光器件发光器件 OEIC GaInAsP InP系统发出激光波长系统发出激光波长0 92 1 65um 覆盖了玻璃光纤的最小色散覆盖了玻璃光纤的最小色散 1 3um 和最小衰减和最小衰
5、减 1 55um 的两个窗口的两个窗口 广泛应用于光纤通信系统中广泛应用于光纤通信系统中 技术不够成熟技术不够成熟 2 1 4 绝缘材料绝缘材料 SiO2 SiON Si3N4 功能包括功能包括 IC器件之间器件之间 有源层与导线层之间有源层与导线层之间 电隔离电隔离 MOS器件栅极与沟道之间的绝缘层器件栅极与沟道之间的绝缘层 6 充当离子注入及热扩散的掩膜充当离子注入及热扩散的掩膜 器件表面的钝化层器件表面的钝化层 保护器件不受外界影响保护器件不受外界影响 低介电常数低介电常数的层间绝缘介质的层间绝缘介质 减小连线间的寄生电容和串扰减小连线间的寄生电容和串扰 250nm e e 3 6介质材
6、料介质材料180 nm e e 3 0介质材料介质材料 大容量大容量DRAM 推动了低漏电推动了低漏电 高介电常数高介电常数介质材料的发展介质材料的发展 e e 25 e e 100 三个功能三个功能 形成器件本身的接触线形成器件本身的接触线 形成器件间的互连线形成器件间的互连线 形成焊盘形成焊盘 半导体表面制作了金属层后半导体表面制作了金属层后根据金属的种类及半导体根据金属的种类及半导体 2 1 5 金属材料金属材料 7 半导体表面制作了金属层后半导体表面制作了金属层后 根据金属的种类及半导体根据金属的种类及半导体 掺杂浓度的不同掺杂浓度的不同 可形成可形成肖特基型接触或欧姆接触肖特基型接触
7、或欧姆接触 如果掺杂浓度较低如果掺杂浓度较低 金属和半导体结合面金属和半导体结合面 半导体能带弯曲半导体能带弯曲 形成肖形成肖 特基型特基型势垒势垒 导致大的界面电阻导致大的界面电阻 形成形成肖特基肖特基接触接触 如果掺杂浓度足够高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以致于隧道效应可以抵消势垒的影响 那么就那么就 形成了欧形成了欧 姆姆 接接 触触 双向低欧姆电阻值双向低欧姆电阻值 IC制造用金属材料制造用金属材料 铝铝 铬铬 钛钛 钼钼 铊铊 钨钨等纯金属和合金薄层在等纯金属和合金薄层在 VLSI制造中起着重要作用制造中起着重要作用 这是由于这些金属及合这是由于这些金属及合
8、金有着独特的属性金有着独特的属性 如对如对Si及绝缘材料有良好的附及绝缘材料有良好的附 着力着力 高导电率高导电率 可塑性可塑性 容易制造容易制造 并容易与外并容易与外 8 着力着力 高导电率高导电率 可塑性可塑性 容易制造容易制造 并容易与外并容易与外 部连线相连部连线相连 纯金属薄层用于制作与工作区的连线纯金属薄层用于制作与工作区的连线 器件间的互器件间的互 联线联线 栅栅极极电容电容 电感传输线的电极等电感传输线的电极等 铝铝 Al 在在Si基基VLSI技术中技术中 由于由于Al几乎可满足金属连几乎可满足金属连 接的所有要求接的所有要求 被广泛用于制作被广泛用于制作欧姆接触及导线欧姆接触
9、及导线 随着器件尺寸的日益减小随着器件尺寸的日益减小 金属化区域的宽度金属化区域的宽度 也越来越小也越来越小 故连线电阻越来越高故连线电阻越来越高 其其RC常数常数 9 也越来越小也越来越小 故连线电阻越来越高故连线电阻越来越高 其其RC常数常数 是限制电路速度的重要因素是限制电路速度的重要因素 要减小连线电阻要减小连线电阻 采用采用低电阻率的金属或合金低电阻率的金属或合金 是一个值得优先考虑的方法是一个值得优先考虑的方法 铝合金铝合金 在纯金属不能满足一些重要的电学参数在纯金属不能满足一些重要的电学参数 达不到可靠度的达不到可靠度的 情况下情况下 IC金属化工艺中采用金属化工艺中采用合金合金
10、 硅铝硅铝 铝铜铝铜 铝硅铜铝硅铜等合金已用于减小峰值等合金已用于减小峰值 增大电子迁增大电子迁 移率移率 增强扩散屏蔽增强扩散屏蔽 改进附着特性等改进附着特性等 或用于形成特定或用于形成特定 10 移率移率 增强扩散屏蔽增强扩散屏蔽 改进附着特性等改进附着特性等 或用于形成特定或用于形成特定 的肖特基势垒的肖特基势垒 稍微在稍微在Al中多加中多加1wt 的的Si即可使即可使Al导线上的导线上的缺陷缺陷减至最少减至最少 在在Al中加入少量中加入少量Cu 则可使则可使电子迁移率电子迁移率提高提高10 1000倍倍 通过金属之间或与通过金属之间或与Si的互相掺杂可以增强的互相掺杂可以增强热稳定性热
11、稳定性 铜铜 Cu 铜的电阻率为铜的电阻率为1 7 cm 比铝比铝3 1 cm的电阻的电阻 率低率低 同样条件下同样条件下 可减小可减小40 的的功耗功耗 更易于实现更快的更易于实现更快的主频主频 并减小现有管芯的并减小现有管芯的体积体积 以铜代铝以铜代铝用于集成电路用于集成电路晶体管间的互连晶体管间的互连将成为半导将成为半导 体技术发展的趋势体技术发展的趋势 11 体技术发展的趋势体技术发展的趋势 IBM公司公司解决了铜与硅结合的难题解决了铜与硅结合的难题 最早推出铜最早推出铜 布线的布线的CMOS工艺工艺 实现了实现了400MHz Power PC芯片芯片 铜工艺芯片铜工艺芯片耗能也更低耗
12、能也更低 0 18 m的的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺工艺中几乎都引入了铜连线工艺 金与金合金金与金合金 由于由于GaAs与与III V器件及器件及IC被应用于对被应用于对速度与可靠性速度与可靠性要求很高的要求很高的 行业行业 如电脑如电脑 通讯通讯 军事军事 航空等航空等 故对形成金属层所使用故对形成金属层所使用 的金属有一定的限制的金属有一定的限制 GaAs InP衬底的半绝缘性质及化学计量法是挑选金属时的衬底的半绝缘性质及化学计量法是挑选金属时的 附加附加 考虑因素考虑因素 由于离子注入技术的最大掺杂浓度为由于离子注入技术的最大掺杂浓度为3 1018cm 3 故不能故不能 用金属
13、与高掺杂的半导体用金属与高掺杂的半导体 3 10 19cm 3 形成欧姆接触形成欧姆接触 这个限制这个限制 促使人们在促使人们在GaAs及及InP芯片中采用芯片中采用合金合金 掺杂浓度低掺杂浓度低 作为接触和作为接触和 12 促使人们在促使人们在GaAs及及InP芯片中采用芯片中采用合金合金 掺杂浓度低掺杂浓度低 作为接触和作为接触和 连接材料连接材料 在制作在制作N型型GaAs欧姆接触时采用欧姆接触时采用金与锗金与锗 合金合金 形成的低形成的低 共熔混合物共熔混合物 所以第一第二层金属必须和金锗欧姆接触相容所以第一第二层金属必须和金锗欧姆接触相容 因此因此 有许多有许多金合金系统金合金系统得
14、到应用得到应用 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 优点优点 即芯片上传输线和电感有即芯片上传输线和电感有更高的更高的Q值值 金属硅化物金属硅化物 金属硅化物金属硅化物具有类似金属的电阻率具有类似金属的电阻率 化学稳定性化学稳定性 耐高耐高 温性温性 故在制作低阻栅极故在制作低阻栅极 导线导线 欧姆接触及肖特基势垒欧姆接触及肖特基势垒 接触中引起人们的关注接触中引起人们的关注 铂铂钯钯钛钛钼钼铊铊钨钨的硅化物被用于制作基本单元的硅化物被用于制作基本单元 铂铂 钯钯 钛钛 钼钼 铊铊 钨钨的硅化物被用于制作基本单元的硅
15、化物被用于制作基本单元 门及门及VLSI电路连线电路连线 金属层数金属层数也是工艺中的一个重要特性也是工艺中的一个重要特性 在在IC技术早期技术早期 采用的是单层布线采用的是单层布线 网络的交叉线问网络的交叉线问 题很难解决题很难解决 现在几乎所有的现在几乎所有的IC技术都是技术都是至少采用两层金属布线至少采用两层金属布线 两层与多层金属布线两层与多层金属布线 14 现在几乎所有的现在几乎所有的IC技术都是技术都是至少采用两层金属布线至少采用两层金属布线 很多很多VLSI采用采用3 4层金属层金属 以提高晶体管密度及自动以提高晶体管密度及自动 布线程度布线程度 对于电路设计者而言对于电路设计者
16、而言 布线的技巧包含合理使用金属布线的技巧包含合理使用金属 层层 减少寄生电容或在可能的情况下合理利用寄生电减少寄生电容或在可能的情况下合理利用寄生电 容等容等 2层布线层布线 第一层金属主要用于器第一层金属主要用于器 件件各个极的接触点各个极的接触点及及器件间器件间的部分连的部分连 线线 这层金属通常较薄这层金属通常较薄 较窄较窄 间距间距 较小较小 第二层主要用于器第二层主要用于器件间及器件件间及器件 与焊盘间与焊盘间的互联的互联 并形成传输线并形成传输线 寄寄 生电容大部分由两层金属及其间的隔生电容大部分由两层金属及其间的隔 15 离层形成离层形成 多数多数VLSI工艺中使用工艺中使用3层以上的金层以上的金 属属 最上面一层通常用于供电及形成最上面一层通常用于供电及形成 牢固的接地牢固的接地 其它较高的几层用于提其它较高的几层用于提 高高晶体管晶体管密度及方便自动化布线密度及方便自动化布线 0 35um CMOS工艺工艺之后将绝缘层腐蚀掉以后之后将绝缘层腐蚀掉以后 多层金属构成的多层金属构成的 立交桥立交桥 结构的结构的互联线互联线 2 1 6 多晶硅多晶硅 多晶硅与单晶硅都是硅
