二章微电子材料与器件 .docx

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1、精品名师归纳总结其次章 微电子材料与器件电导率介于金属和绝缘体之间的材料称为半导体。完全纯洁的半导体称为本征半导体。共价键具有很强的结合力。当 T=0K无外界影响）时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称本征激发。N 型半导体：本征半导体中掺入少量五价元素构成。P 型半导体 :本征半导体中掺入少量三价元素构成。2.2 集成电路基础由于 N 型半导体中有富有的自由电子，而P 型半导体中有富有的自由的空穴，所以当P 型和 N 型半导体接触时，P 型半导体中的空穴就会向N 型中扩散，而 N 型半导体中的电子向 P 型中扩散，结果是P 型端带负电，而N 型端带正电。因而会形成内建电场，内建电场的方向从

2、N 型端指向 P 型端，从而又阻挡电子和空穴的扩散。最终，依靠电子和空穴浓度梯度的扩散和内建电场的电作用达到平稳，在接触面邻近形成一个耗尽层，即p-n 结。14利用掺杂工艺，把P 型半导体和 N 型半导体在原子级上紧密结合，P 区与 N 区的交界面就形成了 PN 结。2.2.2 双极型晶体管由两个相距很近的PN 结组成又称三极管18NPN 晶体管的偏置情形在正常使用条件下，晶体管发射结加正向小电压，称为正向偏置。收集结加反向大电压， 称为反向偏置。具有放大信号的功能。192.2.3 场效应晶体管 FET） 场效应晶体管分类20S源极。 G栅极。 D漏极MOS 场效应晶体管的结构N 沟 MOSF

3、ET，电位低的一端为源，电位高的为漏。 P 沟 MOSFET，电位高的一端为源，电位低的为漏。 MOS 场效应晶体管21结型场效应管金属半导体场效应管N N 222.2.4 集成电路进展简史58 年，锗 IC59 年，硅 IC61 年， SSI10 100个元件 / 芯片）62 年， MOS IC1 / 11可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结63 年， CMOS IC64 年，线性 IC2365 年， MSI 100 1000 个元件 / 芯片）69 年， CCD70 年， LSI 1000 10万个元件 / 芯片）， 1K DRAM71 年， 8 位 MPU IC，400472

4、 年， 4K DRAM， I2L IC77 年， VLSI10万 1000 万个元件 / 芯片）， 64K DRAM ，16位 MPU80 年， 256K DRAM ，2m84 年， 1M DRAM ， 1m85 年， 32 位 MPU ， M680202486 年， ULSI ，于 89 年开头商业化生产， 95 年达到生产顶峰。88 年， 16M DRAM3 107, 135mm2, 0.5m, 200mm ），于 92 年开头商业化生产， 97 年达到生产顶峰。91 年， 64M DRAM1.4 108, 198 mm2, 0.35m, 200mm ），于 94 年开头商业化生产， 99

5、 年达到生产顶峰。92 年， 256M DRAM5.6 108, 400 mm2, 0.25m, 200mm ），于 98 年开头商业化生产， 2002 年达到生产顶峰。25 95 年， GSI 10亿个元件 / 芯片），1G DRAM2.2 109, 700 m, 2,000m.1m8 ），2000年开头商业化生产， 2004 年达到生产顶峰。97 年， 4 G DRAM8.8 109, 986mm2, 0.13 m, 300 mm ），2003年进入商业化生产。26人的大脑：约有140 亿个脑细胞，每个脑细胞可完成“异或”或 “或非”功能，长度约为150m ，消耗的能量约为0.2 pJ 。

6、比一比！大规模集成技术：可在14 cm2 的面积上制作出 140 亿个具有同样功能的器件，每个器件的长度约为 15m ，消耗的能量约为0.005 pJ，工作寿命可达 10 亿小时以上。27集成电路工业进展的第肯定律即所谓摩尔定律。Intel 公司的创始人之一戈登摩尔先生在1965 年 4 月 19 日发表于电子学杂志上的文章中提出，集成电路的才能将每年翻一番。1975 年，他对此提法做了修正，称集成电路的才能将每两年翻一番。摩尔定律现在的表达是：在价格不变的情形下，集成电路芯片上的晶体管数量每18 个月翻一番，即每 3 年乘以 4。2.2.5 集成电路的进展规律2 / 11可编辑资料 - -

7、- 欢迎下载精品名师归纳总结28集成电路工业进展的另一些规律为建立一个芯片厂的造价也是每3 年乘以 4 。 线条宽度每 6 年下降一半。芯片上每个器件的价格每年下降30% 40%。晶片直径的变化：60 年： 0.5 英寸，65年： 1 英寸， 70 年： 2 英寸，75 年： 3 英寸，80年： 4 英寸，90 年： 6 英寸，95 年： 8 英寸 200 mm ），2000 年： 12 英寸 300 mm）。292.2.6 集成电路分类按集成电路功能：数字集成电路和模拟集成电路按结构形式分类：半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路按有源器件类型和工艺：双极型集成电路和MOS集成电路按规模大

8、小分类：小规模、中规模、大规模、超大规模、甚大规模、庞大规模。指在一块玻璃或陶瓷基片上，用膜形成技术和光刻技术等形成的多层金属和金属氧化物膜构成电路中全部元器件及其互联而实现某种电路功能的集成电路。302.2.7 集成电路的进展展望19921995199820012比特/片芯16M64M256M1G特点尺寸m）0.50.350.250.180目标：集成度、牢靠性、速度、功耗、成本努力方向：线宽、晶片直径、设计技术可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结晶片直径200200200 200 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结m

9、m）40040040可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结美国 1992 2007 年半导体技术进展规划31美国 1997 2021 年半导体技术进展规划19971999200120032006可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结比特/芯片特点尺寸 m）晶片直径mm）256M1G4G16G0.250.180.150.130.1200300300300300可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结32我国国防科工委对世界硅微电子技术进展的猜测2000202120211G64G256G0.180.10 0.070.05 0.01集成度特点尺寸 m）可编辑资料 - -

10、- 欢迎下载精品名师归纳总结晶片直径mm）30040045033可以看出，专家们认为，至少在将来10 年内， IC 的进展仍将遵循摩尔定律，即集成度每 3 年乘以 4 ，而线宽就是每 6 年下降一半。硅技术过去始终是，而且在将来的一段时期内也仍将是微电子技术的主体。目前硅器件与集成电路占了2000 多亿美元的半导体市场的95% 以上。硅微电子技术进展的几个趋势1、单片系统集成 SOC）2、整硅片集成 WSI）3、半定制电路的设计方法4、微电子机械系统MEMS）5、真空微电子技术34硅技术以外的半导体微电子技术进展方向1、GaAs 技术电子漂移速度快 4kT =1.65 10 -20。J 当沟道

11、长度为 0.1m 时，开关能量约为5 10 -18。J在亚微 M 范畴，从热力学的角度临时不会遇到麻烦。又如加工尺度限制，明显原子尺寸是最小可加工单位，但现在的最小加工单位远远大于这个数值。2、器件与工艺限制3、材料限制硅材料较低的迁移率将是影响IC 进展的一个重要障碍。4、其他限制包括电路限制、测试限制、互连限制、管脚数量限制、散热限制、内部寄生耦合限制等。362.2.9 集成电路基本工艺技术器件设计芯片制造封装电路设计材料制备可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结37Crystal Growth SlicingGraphite Heater Si MeltSi Crystal P

12、olishing Wafering High Temp. Annealing FurnaceAnnealed Wafer Defect Free Surface by AnnealingSurface Improvement ）Surface Defect MapPolished Wafer 38横向加工：图形的产生与转移又称为光刻，包括曝光、显影、刻蚀等）。纵向加工：掺杂 扩散、离子注入、中子嬗变等），薄膜制备 蒸发、溅射、热氧化、CVD等）。在大规模集成电路制造过程中，光刻是最复杂、最昂贵和最关键的技术。光刻的成本占了总制造成本的1/3 以上。在集成电路制造技术的进展过程中，光刻技术的奉献

13、约占2/3 。芯片制造39涂光刻胶 正） 挑选曝光热氧化SiO2工艺流程举例 PN 结的制造） 40去胶掺杂显影 第 1 次图形转移） 刻蚀 第 2 次图形转移） NP 41蒸发镀 Al 膜光刻 Al 电极可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结CVD 淀积 SiO2膜光刻引线孔42S G DN 沟道硅栅 MOSFET剖面图PN N 43CMOS 结构剖面图2.3.1 衬底材料锗Ge）是最早用于集成电路的衬底材料。Ge 的优点：载流子迁移率比硅高。在相同条件下，具有较高的工作频率、较低的饱和压降、较高的开关速度和较好的低温性能。Ge 的缺点：最高工作温度只有85， Ge 器件热稳固性不

14、如硅。 Ge 无法形成优质的氧化膜。Ge 中施主杂质的扩散远比受主杂质快，工艺制作自由度小。Ge 禁带宽度 0.72eVSi 禁带宽度 1.1eV 47水平布里奇曼法示意图用途： Ge、GaAs、GeSe、GeTe、ZnS 等单晶制备48硅Si）是今后相当长时间内集成电路的衬底材料。硅的优点：Si器件的最高工作温度可达200 。 高温下可氧化生成二氧化硅薄膜。受主和施主杂质扩散系数几乎相同。Si在的壳中的储量特别丰富，Si 原料是半导体原料中最廉价的。硅材料进展趋势：晶片直径越来越大 缺陷密度越来越小 表面平整度越来越好可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结49单晶硅的制备过程石英砂

15、粗硅工业硅）高纯多晶硅单晶硅纯度 95 99纯度 99.9999999 直拉法优点：不受容器限制，克服应力导致晶体缺陷的缺点。籽晶旋转，克服熔体温度不匀称性引起的非匀称凝固。用途： Si、Ge、GaAs 单晶制备。可批量生产300mm 硅单晶， 350mm 的硅单晶制备也已成熟。50区熔法优点：制备过程中熔体不与任何器物接触。熔区体积很小，不需要保温隔热系统。杂质对晶体的弄脏很小。用途： Si、GaAs单晶制备。51绝缘层上硅 SOIsilicon on insulator, SOI）是一种新型的硅芯片材料。SOI结构：绝缘层 / 硅硅/ 绝缘层 / 硅优点：削减了寄生电容，提高了运行速度提高

16、 2035） 具有更低的功耗 降低 35 70）排除了闩锁效应抑制了衬底的脉冲电流干扰与现有硅工艺兼容，削减了13 20工序52绝缘层上硅 SOI 制备技术注氧隔离技术 Separation by Implanted Oxygen ，SIMOX）此技术在一般圆片的层间注入氧离子经超过1300高温退火后形成隔离层。该方法有两个关键步骤：高温离子注入和后续超高温退火。键合再减薄的BESOI技术 技术，两个圆片能够紧密键合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。这个过程分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆8 / 11可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结片在另一非氧化圆片上

17、键合。其次步是经过退火增强两个圆片的键合力度。第三步是通过研磨、抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片直到所要求的厚度。53键合技术工艺过程54绝缘层上硅 SOI 制备技术注氢智能剥离技术Smart Cut）1995 年， M Bruel 利用键合和离子注入技术的优点提出了智能剥离 Smart-Cut）技术。它是利用氢离子注入到硅片中，形成具有气泡层的注氢片，与支撑硅片键合 两个硅片中至少有一片的表面带有热氧化的 SiO2 掩盖层），经适当的热处理使注氢片从气泡层处完整裂开，形成 SOI结构。注氢智能剥离工艺过程55绝缘层上硅 SOI 制备技术注氧隔离和键合的Simbond SOI 技术利用氧离子注入产

18、生的一个分布匀称的离子注入层，并在退火过程中形成二氧化硅绝缘 层。此二氧化硅绝缘层用来充当化学腐蚀阻挡层，可对圆片在最终抛光前器件层的厚度及其匀称性有很好的掌握。由于在此工艺中，表层硅的匀称性由氧离子注入工艺来掌握，因此，顶层硅匀称性很好。同时，绝缘埋层的厚度可随便调剂。562.3.2 栅结构材料包括栅绝缘介质和栅电极材料。栅绝缘介质： 缺陷少、漏电流小、抗击穿强度高、稳固性好、与Si 有良好的界面特性、界面态密度低。二氧化硅氮氧化硅高 k 材料可有效防止硼离子扩散、高介电常数、低漏电流密度、高抗老化击穿特性增加介质层物理厚度、减小隧穿电流如： Ta2O5、TiO2、Sr， Ba） TiO3

19、等57栅电极材料：串联电阻小，寄生效应小。Al多晶硅Polycide/Salicide不能满意高温处理的要求电阻率高多晶硅 / 金属硅化物 TiSi2、WSi2） 582.3.3 互连材料用平面工艺制作的单个器件必需用导线相互连接起来，称为互连。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结工艺 减法工艺）：第一去除接触孔处的SiO2 层以暴露硅，然后用PVD物理气相沉积）在表面沉积一层金属实现互连。互连材料包括金属导电材料和相配套的绝缘介质材料。传统的导电材料用铝和铝合金，绝缘材料用二氧化硅。然而，目前多层互连技术已成为VLSI 和甚大规模集成电路ULSI）制备工艺的重要组成部分。当前 0

20、.18 m 高性能 ULSI例如 CPU）已具有多达 7 层的铜互连线。因此，寻求较低电 阻率的金属互连线材料和较低介电常数的绝缘材料已成为深亚微M 和纳 M 器件的一大讨论方向。59多层互连结构集成度增加 互连层数增加互连引线面积、电阻增大互连时延增加、信号衰减优化互连布线设计采纳新的互连材料60Cu 优点：1）铜的电阻率为1.7 /cm， 铝的电阻率为 3.1 /cm。2）铜连线的寄生电容比铝连线小。3）铜连线的电阻小，铜连线IC 功耗比铝连线IC 功耗低。4）铜的耐电迁移性能远比铝好，有利于IC 牢靠性的提高。5）铜连线 IC 制造成本低。比铝连线IC 工艺削减了约 20%30%的工序，

21、特殊是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序。6）铜连线有更小的时钟和信号畸变，改善了片上功率安排。铜连线的布线层数目比铝连线少。因此 Cu 是一种比较抱负的互连材料。问题Cu 污染问题 形成铜硅化物布线问题解决方法:双镶嵌技术低k介质层间绝缘材料低 k 介质指介电常数较低的材料，多层互连中用它来取代传统的SiO2 作为层间绝缘。它可在不降低布线密度的条件下，有效的减小互连电容值，使芯片工作速度加快、功耗降低。目前最有前途和有可能应用的低k 介质是： 新型的掺碳氧化物，它可提高芯片内信号传输速度并降低功耗，该氧化物通过简洁的双层堆叠来设置，易于制作。多孔 Si 低 k 绝缘介质。 黑金刚石，一种无机

22、和有机的混合物。 超薄氟化氮化物，它加上由有机层构成的隔离薄膜，使得铜扩散削减一个数量级或更多，从而增强多层互连芯片工作的牢靠性。63可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.3.4 钝化层材料钝化是在不影响集成电路性能的情形下，在芯片表面掩盖一层绝缘介质薄膜，削减外界环境对集成电路的影响，使集成电路可以长期安全有效的工作。双极型集成电路SiO2材料MOS 集成电路PSG磷硅玻璃） /SiO2 双层结构优：阻挡 Na污染，缺：腐蚀金属引线Si3N4 材料优：解决污染和水气问题，缺：应力大SiOxNy复合材料优：致密性好，应力小2.3.5 封装材料为了抵挡外部的侵扰 包括极端温度、振动、腐蚀、污染等）保证集成电路元器件的正常工作，同时防止对其它元器件和人体的损害，需要对元器件进行封装。封装材料塑料封装： 成本低金属封装： 密封性好、电磁屏蔽，成本高陶瓷封装： 导热性好，绝缘性好，成本低玻璃封装： 小型电路的扁平封装可编辑资料 - - - 欢迎下载