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IC设计基础 王志功 东南大学 无线电系 2004年 第二章 IC制造材料 2.1 概述 2.5 绝缘材料 2.2 硅 2.6 金属材料 2.3 砷化钾 2.7 多晶硅 2.4 磷化铟 2.8 材料系统 半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用 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的三种半导体材料 2.2 硅 (Si) 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） 2.3 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 三种有源器件: MESFET, HEMT 和 HBT 2.4 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和最小衰减的两个窗口 2.5 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 钝化层 电隔离 2.6 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 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触。 器件互连材料包括 金属，合金，多晶硅，金属硅化物 IC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。 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。 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,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400MHz Power PC芯片. 0.18?m的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺. 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。这个限制促使人们在GaAs及InP芯片中采用合金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。 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GaAs IC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。实际上，多层布线系统如Ti/Pt/Au或Ti/Pd/Au 同时被用于肖特基势垒。 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。 IC设计与金属布线 多数情况下，IC特别是VLSI版图设计者的基本任务是完成金属布线。因为基本器件其它各层的版图通常已经事先做好，存放在元件库中。门阵列电路中，单元电路内的布线也已经完成。 对于电路设计者而言，布线的技巧包含合理使用金属层，减少寄生电容或在可能的情况下合理利用寄生电容等。 2.7 多晶硅 多晶硅与单晶硅都是硅原子的集合体。 且其特性