第2章 集成电路材料、结构与理论

2.1 集成电路材料

材料按导电性能可以分为导体、半导体和绝缘体三类。如果说电气系统主要应用导体和绝缘体两类材料的话，电子系统特别是微电子系统则应用所有的三类材料。具体到集成电路制造，所应用到的材料分类情况如表2.1所示。

集成电路虽然是导体、半导体和绝缘体三种材料有机组合形成的系统，但相对于其他系统，半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。首先，集成电路通常是制作在半导体衬底材料之上的；同时，集成电路中的基本元件是依据半导体的特性构成的。

半导体材料之所以得到广泛的应用，是因为它具有以下特性。

① 通过掺入杂质可以明显改变半导体的电导率。例如，在室温30℃时，在纯净锗中掺入亿分之一的杂质，电导率会增加几百倍。正是因为掺杂可控制半导体的电导率，才能利用它制造出各种不同的半导体器件。

② 当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力将发生显著变化。利用这种热敏效应可制成热敏器件。另一方面，热敏效应会使半导体的热稳定性下降，所以由半导体构成的电路中常采用温度补偿等措施。

③ 光照也可以改变半导体的电导率，通常称为半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器等。

④ 多种由半导体形成的结构中，当注入电流时，会发射出光，从而可制造出发光二极管和激光二极管。

表2.2所示为多种半导体材料的几个重要物理特性。

在这些材料中，硅（Si, Silicon）、砷化镓（GaAs, Galliumarsenide）和磷化铟（InP, Indiumphosphide）是最基本的三种。以这些材料为衬底，可以做出复杂的材料系统，不同的固态器件和集成电路。下面将详细叙述这些材料的特性及应用。

2.1.1 硅

硅（Si）是现代微电子工业的基础。在过去的40年中，基于硅材料的多种工艺技术得以发展，并达到成熟，如双极型晶体管（BJT）、结型场效应管（J-FET）、P型场效应管（PMOS）、N型场效应管（NMOS）、互补型金属-氧化物-半导体场效应管（CMOS）及双极管CMOS （BiCMOS）等。就集成度而言，1 Gb的DRAM早已开发成功[2, 3]，微处理器的总晶体管数早已超过1千万[4]，最大的芯片面积已接近1000mm2。与此同时，先进工艺线的晶圆直径已达到300mm（12英寸）。芯片的速度也越来越快。采用0.13μm CMOS工艺制成的CPU包含4000万个晶体管，运行速度超过2 GHz。采用0.4μm Si双极型工艺制成的中规模IC实现了50 Gb/s的速度[5]。市场上90%的IC产品都是基于Si工艺。

因为原材料来源丰富，技术成熟，硅基产品保持价格低廉。在满足性能指标的情况下，硅基集成电路自然作为系统集成的首选方案。

近十多年以来，基于Si和Ge的HBT（异质结双极型晶体管）技术有了快速的发展[6]。与基于Ⅲ/Ⅳ族材料的HBT技术相比，它的优越性同样在于其低廉的Si原材料价格。举例来说，6英寸砷化镓晶圆的价格目前约为400美元，而6英寸硅晶圆的价格则只有25美元。

2.1.2 砷化镓

GaAs和其他Ⅲ/Ⅳ族化合物器件之所以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等。器件的速度取决于载流子通过有源区的时间及器件本身的寄生电容的充放电时间。GaAs和其他Ⅲ/Ⅳ族化合物器件高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率等特性为提高器件速度提供了可能。此外，由于这些特性的存在，器件的寄生电容会有所减小，同时在较低的工作电压下载流子能更有效地加速，致使晶体管工作时所耗能量更低。

GaAs是优良的Ⅲ/Ⅳ族化合物固态材料。经过数十年的努力，GaAs工艺虽然还不能和Si工艺相比，但已经逐渐成熟。基于GaAs的MESFET和HEMT微波毫米波放大器、振荡器、混频器、开关、衰减器、调制器限流器的工作频率可达100 GHz，而高性能的数字LSI和VLSI也已经设计制造出来，并得到了广泛的应用。

GaAs有比Si高得多的电子迁移率（GaAs为4×107cm2/(V·s)，而Si为9×106cm2/ (V·s)），因此，GaAs晶体管传输延迟远小于同类型的Si管。所以GaAs管可工作在更高的数据速率上。

与Si相比，GaAs有以下优点。

（1）GaAs中非平衡少子漂移速率为4×107cm2/(V·s)，大约是Si（9×106cm2/(V·s)）的4倍，因此可以制成更快的器件和IC。GaAs晶体管最高的工作频率fT可达150 GHz，而最快的Si晶体管只有几十GHz。对毫米波（f＞30 GHz）和超高速（40 Gb/s以上）的电路而言， GaAs技术将占主导地位。

（2）GaAs导带极小值和价带最大值都出现在布里渊区波矢为0处，而Si的导带最小值在X点，所以在GaAs中，电子和空穴可直接复合，而Si则不行。由于这一性质，GaAs可用来制作发光器件，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）和光电集成电路（OEIC）。就这点而言，GaAs在光纤数字传输系统中受到了更多的关注。

（3）GaAs中价带与导带之间的禁带为1.43 eV，大于Si的1.1 eV。所以稳态时，在300 K室温下，GaAs本征激发中载流子密度（电子空穴对）（106cm−3）远小于Si（1010cm−3）。这就带来了三个好处：① GaAs衬底是半绝缘的，在这样的衬底上可制作出高性能的器件，如电感、微波变压器及微波毫米波传输线；② GaAs器件和IC能工作在更高的温度；③ 具有更好的抗辐射性能。

在兼顾速度与功耗这两个设计的重要因素时，GaAs集成电路可提供更好的性能。在微波毫米波范围内，GaAs集成电路已经处于主导地位。

GaAs的集成电路主要基于3种有源器件：MESFET、HEMT和HBT。前两种与Si的结型场效应管（J-FET）原理类似，HBT则与Si的双极型晶体管（BJT）原理类似。

2.1.3 磷化铟

在光纤系统中，磷化铟（InP）是最重要的Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体材料。InP的集成电路也主要基于3种有源器件：MESFET、HEMT和HBT。另一方面，与GaAs一样，InP半导体中电子与空穴的复合也是直接进行的。所以，InP适合制作发光器件和OEIC。InP突出的性能在于其GaInAsP/InP物质系统发出的激光波长位于0.92～1.65μm之间[7]。这个波长范围正好覆盖了玻璃光纤的最小色散（1.3μm）和最小衰减（1.55μm）的两个窗口。因此，InP器件和光电集成电路OEIC（Opto-Electronic IC）广泛应用于光纤通信系统中。InP技术的缺点在于还没有GaAs技术那样成熟。

2.1.4 绝缘材料

如同电气系统那样，在IC的材料系统中，绝缘体起着不可缺少的作用。在制作IC时，必须同时制作器件之间、有源层及导线层之间的绝缘层，以实现它们之间的电隔离。在MOS器件里，栅极与沟道之间的绝缘更是必不可少的。绝缘层的其他功能包括：

① 充当离子注入及热扩散的掩模；

② 作为生成器件表面的钝化层，以保护器件不受外界影响。

SiO2、SiON和Si3N4是IC系统中常用的几种绝缘材料。

随着连线的几何尺寸持续缩小，需要低介电常数的层间绝缘介质，以减小连线间的寄生电容和串扰。对于250 nm技术的产品，人们采用介电常数为3.6的SiOF介质材料；对于180 nm技术的产品，人们采用介电常数小于3.0的介质材料。

另一方面，对大容量动态随机存储器（DRAM）的要求，推动了低漏电、高介电常数介质材料的发展。同时，高介电常数介质材料还可以在逻辑电路、混合信号电路中用于滤波电容、隔离电容和数模转换用电容的制造。目前，高介电常数介质材料的发展集中在介电常数约为25的CVD解决方案上，远期的解决方案包括PVD和CVD，预计将达到介电常数大于等于100。

2.1.5 金属材料

金属材料[8]有3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。

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，可形成欧姆接触或肖特基型接触。

如果掺杂浓度足够高，隧道效应就可以抵消势垒的影响，那么就形成了欧姆接触。

铝、铬、钛、钼、铊、钨等纯金属薄层在VLSI制造中正逐步引起人们的兴趣，这是由于这些金属及合金有着独特的属性。例如，对Si及绝缘材料有良好的附着力，高电导率，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，器件间的互连线，栅极电容，电感传输线的电极等。

在硅基VLSI技术中，由于铝几乎可以满足金属连接的所有要求，所以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，金属连线的宽度越来越小，导致连线电阻越来越高，其RC常数成为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成为值得优先考虑的方法。

只有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金属工艺中才采用合金。硅铝、铝铜、铝硅铜及钨锑等合金已用于减小峰值、增大电子迁移率、增强扩散屏蔽和改进附着特性等，或用于形成特定的肖特基势垒。例如，在铝中多加1%重量的硅便可使铝导线上的缺陷减至最少；在铝中加入少量的铜，则可使电子迁移率提高10～1000倍；通过金属之间或与硅的互相掺杂可以增强热稳定性。

因为铜的电阻率为1.7 μΩ·cm，比铝的电阻率（3.1 μΩ·cm）低，从而可以在相同条件下减少约40%的功耗，能轻易实现更快的主频，并能减小现有管芯的体积。今后，以铜这种优良的导体来代替铝用于集成电路中晶体管间的互连将成为半导体技术发展的趋势。IBM公司已经推出铜布线的CMOS工艺，并开始销售采用铜布线的400 MHz Power PC芯片。IBM公司为苹果公司的新型iBook提供经过特殊设计的铜工艺芯片，这种耗能很低的芯片可以使iBook能够用一块电池工作一整天。

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，如计算机、通信、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和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，故不能用金属与高度掺杂的半导体（大于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。所以第一层、第二层金属必须和金锗欧姆接触相容，因此有许多金基合金系统得到应用。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工艺中都有一个标准的步骤，即把第一层金属布线与形成肖特基势垒和栅极形成结合起来。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。

金属硅化物具有类似于金属的电阻率、化学稳定性、耐高温性，故在制作低阻栅极、导线、欧姆接触及肖特基势垒接触中引起了人们的关注。铂、钯、钼、钛、钽、钨的硅化物正被研究用于制作基本门单元及VLSI电路连线。金属层数也是工艺中的一个重要特性。在IC技术发展的早期，采用的是单层布线，故网络的交叉线问题很难解决。现在几乎所有的IC技术都采用至少两层金属，交叉线不再成为问题。不过，很多的VLSI工艺中采用3～4层金属，其目的是提高晶体管的密度，提高自动布线的程度。现在，金属层已达5～6层。图2.1所示为深亚微米CMOS工艺之后将绝缘层腐蚀掉以后多层金属构成的“立交桥”结构。

对所有的FET技术而言，接触孔与栅电极的连接是最重要的。为了在减小栅长的同时减小栅极电阻，一些技术中采用了蘑菇型或称T型栅。

第一层金属主要用于器件本身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。第二层金属主要用于器件间及器件与焊盘间的互连，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。一些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。其他较高的几层用于提高密度及方便自动化布线。

对于电路设计者而言，布线的工艺包含合理使用金属层，减小寄生电容或在可能的情况下合理利用寄生电容等。

2.1.6 多晶硅

多晶硅有着与单晶硅相似的特性，并且其特性可随结晶度与杂质原子的改变而改变，故被广泛用于微电子工艺。在MOS及双极型器件中，多晶硅可用来制作栅极、源极与漏极（双极型器件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、薄PN结的扩散源、高值电阻等。多晶硅层可用溅射法、蒸发或CVD法沉淀。非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的，电阻率为300 Ω/cm。而要用于制作MOS栅极及欧姆接触，就必须掺杂。掺杂过程可在气相条件下，以氢气作为载体，用乙硼烷、砷或磷蒸气来完成[9]。多晶硅可用扩散、注入法掺杂，也可在沉淀多晶硅的同时通入杂质气体（In-Situ法）来掺杂。扩散法形成的杂质浓度很高（大于等于1021cm−3）1，故电阻率很小。注入法的电阻率约是它的10倍，杂质浓度为1020cm−3，而In-Situ法的浓度为1020～1021cm−3。三种掺杂工艺中，后两种由于工艺温度低而在VLSI生产中被优先采用。通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控制在500～0.005 Ω/cm。

每立方厘米中杂质原子数目超过1021个。

在多晶硅沉淀过程中加入定量的氮氧化合物可使其部分氧化，形成半绝缘层。这样可用于对器件进行钝化。此外，多晶硅的特性随着氧杂质的增多而改变，甚至其完全转化为SiO2。多晶硅里也可掺入杂质氮，直至完全变为氮化硅。

2.1.7 材料系统

半导体衬底可以由单原子材料（如Si、Ge）或化合物（如GaAs、InP）制成。在结构简单的材料上制作各种器件及IC的技术也较简单，但是，这些器件及IC的性能，如电流增益、晶体管速度、激光二极管的发光效率等，会受到不同程度的限制。因此，人们研究出众多更加复杂的材料系统，制作出许多新奇的器件与电路。所谓的材料系统，指的是在由一些基本材料，如Si、GaAs或InP，制成的衬底上或衬底内，用其他物质再生成一层或几层材料。材料系统与掺杂过的材料之间的区别在于外来材料的种类与数量的多少。在掺杂材料中，掺杂原子很少，故只能看成杂质，其作用只是改变载流子的类型。而在材料系统中，外来原子的比率在几到几十个百分点之间。导入其他材料层的目的是形成特定的能带，改变载流子的传输性能。所以，材料系统的研究与应用又被称为能带工程[10]。

按导电性质划分，存在着半导体材料和半导体/绝缘体两种材料系统。

1．半导体材料系统

半导体材料系统是指不同质（异质）的几种半导体（GaAs与AlGaAs、InP与InGaAs和Si与SiGe等）组成的层结构。这种层结构可以通过生长的方式形成，也可以通过粘接的方式形成。

各种异质半导体的材料系统已得到如下的应用。

①制作异质结双极型晶体管HBT。HBT的原理是：先把原始材料晶格上的原子用不同质外延材料的原子取代，形成NPN管的基区。外延层的化合价和晶格常数与原来材料的原子相同或接近，而外延层原子的禁带宽度比原始材料中的禁带宽度窄，因此基区空穴必须越过更高的势垒才能进入发射区。电流增益决定于发射区电子电流占基区空穴电流的比率。

② 制作高电子迁移率晶体管HEMT。主要是在具有较低禁带的未掺杂的半导体材料中形成一种具有二维电子气的材料系统。

③ 制作高性能的LED及LD。

2．半导体/绝缘体材料系统

顾名思义，半导体/绝缘体材料系统是半导体与绝缘体相结合的材料系统，其典型代表是绝缘体上硅（SOI, Silicon On Insulator）。基本的SOI材料制造技术有很多种，其中注入氧隔离（SIMOX, Separation by IMplanted OXygen）和晶片粘接最为成功。在SIMOX工艺中， SOI衬底分两步得到：

① 在适当的注入能量和温度下先在衬底中注入适当量及适当速度的氧气；

② 在适当的温度环境下退火，这样，在硅薄膜下就形成了一层掩埋的氧化物（SiO2）。

在晶片粘接技术中，SOI衬底通过3步获得：

① 两片晶圆的一面被氧化；

② 这两片晶圆的氧化面相接触粘接在一起；

③ 上面的晶圆被研磨或腐蚀到所需要的厚度。

在SOI衬底上，可以形成MOS和双极型晶体管。由于在器件的有源层和衬底之间的隔离层厚，电极与衬底之间的寄生电容大大地减少，器件的速度更快，功率更低。