2.1 了解集成电路材料 表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类 分类 材料 电导率 导 体 铝、金、钨、铜等 105 S·cm-1 半 导 体 硅、锗、砷化镓、磷 化铟等 10-9~10-2 S·cm-1 绝 缘 体 SiO2、SiON、Si3N4等 10-22~10-14 S·cm-1 2020/2/24 1 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的三种半导体 材料 2020/2/24 2 2.1.1 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 2020/2/24 3 2.1.2 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 GaAs IC 的三种有源器件: MESFET, HEMT 和 HBT 2020/2/24 4 2.1.3 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 2020/2/24 5 2.1.4 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 2020/2/24 6 2.1.5 金属材料 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 2020/2/24 7 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ic芯片金属，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ic芯片金属，那么就形成了欧姆接触(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 2020/2/24 8 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。 2020/2/24 9 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。 2020/2/24 10 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。 2020/2/24 11 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. 2020/2/24 12 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。
