2.1 了解集成電路材料 表2.1 集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類 分類 材料 電導(dǎo)率 導(dǎo) 體 鋁、金、鎢、銅等 105 S·cm-1 半 導(dǎo) 體 硅、鍺、砷化鎵、磷 化銦等 10-9~10-2 S·cm-1 絕 緣 體 SiO2、SiON、Si3N4等 10-22~10-14 S·cm-1 2020/2/24 1 半導(dǎo)體材料在集成電路的制造中起著根本性 的作用 摻入雜質(zhì)可改變電導(dǎo)率/熱敏效應(yīng)/光電效應(yīng) 表2.2 半導(dǎo)體材料的重要物理特性 硅，砷化鎵和磷化銦是最基本的三種半導(dǎo)體 材料 2020/2/24 2 2.1.1 硅 (Si) 基于硅的多種工藝技術(shù)： 雙極型晶體管（BJT） 結(jié)型場效應(yīng)管（J-FET） P型、N型MOS場效應(yīng)管 雙極 CMOS（BiCMOS） 價(jià)格低廉，占領(lǐng)了90％的 IC市場 2020/2/24 3 2.1.2 砷化鎵 (GaAs) 能工作在超高速超高頻，其原因在于這些材 料具有更高的載流子遷移率，和近乎半絕緣 的電阻率 GaAs的優(yōu)點(diǎn): fT可達(dá)150GHz/可制作發(fā)光器件 /工作在更高的溫度/更好的抗輻射性能 GaAs IC 的三種有源器件: MESFET, HEMT 和 HBT 2020/2/24 4 2.1.3 磷化銦 (InP) 能工作在超高速超高頻 三種有源器件: MESFET, HEMT和HBT 廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中 覆蓋了玻璃光纖的最小色散（1.3um）和最小衰 減（1.55um）的兩個(gè)窗口 2020/2/24 5 2.1.4 絕緣材料 SiO2 、SiON和Si3N4是 IC 系統(tǒng)中常用的幾種 絕緣材料 功能包括： 充當(dāng)離子注入及熱擴(kuò)散的掩膜 器件表面的鈍化層 電隔離 2020/2/24 6 2.1.5 金屬材料 金屬材料有三個(gè)功能： 1. 形成器件本身的接觸線 2. 形成器件間的互連線 3. 形成焊盤 2020/2/24 7 半導(dǎo)體表面制作了金屬層后，根據(jù)金屬的種 類及半導(dǎo)體摻雜濃度的不同，可形成 肖特基型接觸或歐姆接觸 ?如果摻雜濃度較低，金屬和半導(dǎo)體結(jié)合面形成肖 特基型接觸ic芯片金屬，構(gòu)成肖特基二極管。

?如果摻雜濃度足夠高，以致于隧道效應(yīng)可以抵消 勢壘的影響ic芯片金屬，那么就形成了歐姆接觸(雙向低歐 姆電阻值)。 器件互連材料包括 金屬，合金，多晶硅，金屬硅化物 2020/2/24 8 IC制造用金屬材料 鋁，鉻，鈦，鉬，鉈，鎢等純金屬和合金薄層 在VLSI制造中起著重要作用。這是由于這些金 屬及合金有著獨(dú)特的屬性。如對Si及絕緣材料 有良好的附著力，高導(dǎo)電率，可塑性，容易制 造，并容易與外部連線相連。 純金屬薄層用于制作與工作區(qū)的連線，器件間 的互聯(lián)線，柵及電容、電感、傳輸線的電極等。 2020/2/24 9 鋁（Al） 在Si基VLSI技術(shù)中，由于Al幾乎可滿足金 屬連接的所有要求，被廣泛用于制作歐姆 接觸及導(dǎo)線。 隨著器件尺寸的日益減小，金屬化區(qū)域的 寬度也越來越小，故連線電阻越來越高， 其RC常數(shù)是限制電路速度的重要因素。 要減小連線電阻，采用低電阻率的金屬或 合金是一個(gè)值得優(yōu)先考慮的方法。 2020/2/24 10 鋁合金 在純金屬不能滿足一些重要的電學(xué)參數(shù)、達(dá)不到可靠 度的情況下，IC金屬化工藝中采用合金。 硅鋁、鋁銅、鋁硅銅等合金已用于減小峰值、增大電 子遷移率、增強(qiáng)擴(kuò)散屏蔽，改進(jìn)附著特性等。

或用于 形成特定的肖特基勢壘。例如,稍微在Al中多加1wt% 的Si即可使Al導(dǎo)線上的缺陷減至最少，而在Al中加入 少量Cu，則可使電子遷移率提高10?1000倍； 通過金屬之間或與Si的互相摻雜可以增強(qiáng)熱穩(wěn)定性。 2020/2/24 11 銅(Cu) 因 為 銅 的 電 阻 率 為 1 . 7 ? ? ? cm, 比 鋁 3 . 1 ???cm的電阻率低, 今后,以銅代鋁將成為 半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的趨勢. IBM公司最早推出銅布線的CMOS工藝, 實(shí)現(xiàn) 了400MHz Power PC芯片. 0.18?m的CMOS工藝中幾乎都引入了銅連線 工藝. 2020/2/24 12 金與金合金 由于GaAs與III/V器件及IC被應(yīng)用于對速度與可靠性要求很 高的行業(yè)，如電腦、通訊、軍事、航空等。故對形成金屬 層所使用的金屬有一定的限制。 而GaAs、InP襯底的半絕緣性質(zhì)及化學(xué)計(jì)量法是挑選金屬 時(shí)的附加考慮因素。由于離子注入技術(shù)的最大摻雜濃度為 3·1018cm-3，故不能用金屬與高摻雜的半導(dǎo)體（>3·1019cm-3） 形成歐姆接觸（受到最大摻雜濃度的限制）。這個(gè)限制促 使人們在GaAs及InP芯片中采用合金（摻雜濃度低）作為 接觸和連接材料。